Trois dimensions Velocimetry de suivi des particules pour Turbulence Applications: Cas d'un débit de jet

Les objectifs de cette expérience sont de mettre en place et d’optimiser un système de vélocimétrie de suivi des particules pour les applications de turbulence et de l’utiliser pour étudier l’écoulement des jets. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la turbulence en utilisant la description lagrangienne de l’écoulement. Le principal avantage de cette technique est sa capacité à suivre un grand nombre de particules dans le temps et l’espace.

Bien que cette méthode puisse donner un aperçu d’une turbulence et d’un cadre de référence lagrangien, elle peut être appliquée à d’autres applications telles que la capture de mouvement ou le suivi de mouvement. Le dispositif de cette expérience est destiné à l’étude du champ d’écoulement intermédiaire d’un jet de tuyau. Ce réservoir rempli d’eau a à l’intérieur un canal pour créer un jet d’un diamètre d’un centimètre.

Ce schéma donne un aperçu de la configuration avant l’ajout d’équipements pour la vélocimétrie tridimensionnelle de suivi des particules. Pour vous préparer au suivi des particules, identifiez une région d’étude, le volume d’interrogation. Dans cette expérience, il s’agit d’un cube dont les faces sont parallèles à celles du plus grand volume et dont le point le plus proche se trouve à 15 centimètres de l’extrémité du canal.

Une fois le volume d’interrogation choisi, commencez par positionner le miroir primaire. Le miroir est de forme pyramidale et monté sur un poteau de montage vertical sur le côté du réservoir d’expérience. Faites glisser le miroir le long du poteau pour le mettre au niveau du centre du volume d’interrogation, puis fixez-le en place.

Ensuite, montez la caméra derrière le miroir principal. Réglez le centre de l’image de la caméra pour qu’il coïncide avec le centre du miroir principal. Maintenant, passez à l’ordinateur pour vérifier sa connexion avec l’appareil photo.

Poursuivez en configurant l’interface entre l’appareil photo et le logiciel d’enregistrement. Commencez par la vue de la caméra du miroir primaire et de son environnement. Utilisez le paramètre de région d’intérêt du logiciel pour ajuster la largeur et la hauteur de la vue de la caméra afin de ne couvrir que le miroir principal.

L’étape suivante consiste à placer une cible d’étalonnage dans le réservoir pour mettre en place les miroirs secondaires. Cette cible est conçue sur mesure pour englober l’ensemble du volume d’interrogation. La cible a des points cibles d’un millimètre de diamètre pour l’étalonnage.

Tout d’abord, placez une plate-forme à hauteur réglable dans le réservoir pour soutenir la cible. Positionnez la cible d’étalonnage sur la plate-forme et orientez-la pour qu’elle fasse face à la caméra. Ajustez la hauteur de la plate-forme de manière à ce qu’elle corresponde au centre de la cible d’étalonnage avec le centre du volume d’étalonnage.

Poursuivez en complétant le séparateur de quatre vues. Ajustez la position du miroir primaire afin qu’il capture tout le volume d’interrogation. Les miroirs secondaires sont montés sur des poteaux de montage verticaux de chaque côté du miroir primaire.

Montez chaque miroir secondaire de manière à ce qu’il soit à peu près aligné avec la vue de la caméra du côté le plus proche du miroir principal. Fixez le miroir secondaire en place. L’agencement final doit être géométriquement symétrique par rapport au miroir primaire.

Utilisez un pointeur laser et dirigez-le à son tour sur un miroir pour visualiser la trajectoire de l’image. Effectuez les derniers ajustements du miroir secondaire en utilisant la trajectoire du faisceau comme guide afin que la vue englobe l’ensemble de la cible d’étalonnage. Répétez la visualisation du chemin d’image et effectuez des ajustements pour chacun des miroirs secondaires restants.

Une fois que tous les rétroviseurs ont été ajustés, surveillez les sous-images de la vue de la caméra. Sur l’ordinateur, observez la vue de la caméra des images. Au niveau du séparateur de vue, déplacez l’un des miroirs secondaires pour examiner le chevauchement des sous-images.

Si une seule vue change au moment où le miroir se déplace, le chevauchement est négligeable. Une fois le séparateur à quatre voies en place, éteignez l’appareil photo et passez au travail avec l’éclairage. Placez les sources lumineuses directement face au volume d’interrogation par le haut.

Dans cette expérience, une lentille loupe est placée directement sous les sources lumineuses pour augmenter l’intensité lumineuse. Allumez les sources lumineuses et vérifiez visuellement que la lumière est uniformément répartie sur tout le volume d’interrogation. Commencez à optimiser la configuration en retournant travailler avec l’appareil photo.

Ajustez la mise au point de l’objectif jusqu’à ce que la réflexion à travers le miroir principal soit également focalisée dans les quatre vues des miroirs secondaires. Assurez-vous que les images du séparateur de vue sont symétriques et montrent le volume d’interrogation. Ajustez ensuite le f-stop pour pouvoir capturer à la fois le point le plus proche et le point le plus éloigné de la cible d’étalonnage.

La caméra ne capturera que les particules de traçage dans le volume d’interrogation. À ce stade, tournez-vous vers le logiciel d’enregistrement. Définissez la fréquence d’images souhaitée.

550 Hertz sont utilisés pour cette expérience. Maximisez ensuite la sensibilité à la lumière en fonction de la fréquence d’images choisie. Maintenant, préparez-vous à prendre des images d’étalonnage de la cible d’étalonnage.

Fixez une lampe de poche LED sur le réservoir directement au-dessus de la cible pour l’éclairage. Capturez plusieurs images de la cible via le séparateur à quatre vues pour des étapes d’étalonnage ultérieures. Une fois terminé, retirez la cible d’étalonnage, son support et la lumière afin de commencer à régler l’éclairage.

Préparez une petite quantité de particules d’ensemencement pour optimiser l’éclairage. Prenez un petit bécher contenant de l’eau et ajoutez-y les particules d’ensemencement. Attendez que les particules se diffusent.

Les particules sont des sphères creuses en céramique recouvertes d’argent de 100 micromètres. Versez le mélange dans le réservoir pour aider à optimiser l’éclairage et les paramètres de la caméra. Continuez avec les lumières de la pièce éteintes et les sources lumineuses allumées.

Sur l’ordinateur, surveillez la vue en direct de la caméra du miroir primaire et vérifiez l’éclairage dans chaque vue en observant la différence de densité de particules entre les vues. La géométrie de cette expérience fait que les deux miroirs supérieurs reçoivent moins de lumière. Lors de la configuration, remédiez à cela en ajoutant un miroir plat sous la source lumineuse au fond du réservoir.

Sous les sources lumineuses, cet ajout permet de réduire les variations dans la vue. Sur l’appareil photo, ajustez le gain et les niveaux de noir, chacun dans la plage d’environ zéro à 500. L’objectif est de mieux capturer la diffusion de la lumière des particules.

Dans cette séquence, trois images fixes utilisant des niveaux de gain et de noir différents sont comparées. Un réglage de gain de 300 et un réglage de noir de 500 ont été utilisés dans cette expérience. Éteignez les sources lumineuses et allumez l’éclairage de la pièce.

Sur l’ordinateur, ouvrez un logiciel pour la vélocimétrie de suivi des particules. L’idée est de charger l’une des images de calibrage prises précédemment. Utilisez le logiciel pour diviser cette image en quatre sous-images indépendantes qui correspondent aux différentes vues miroir secondaires.

Enregistrez chacune de ces sous-images dans un fichier différent. Chaque image sera utilisée comme si elle provenait d’un appareil photo distinct. Procédez aux étapes d’étalonnage à l’aide des données de coordonnées et des étapes pour plusieurs caméras.

Préparez la collecte de données en allumant les sources lumineuses de vélocimétrie. Ensuite, récupérez les particules d’ensemencement et ajoutez-les dans le réservoir. Attendez que le flux à l’état stable se développe dans le système.

Lorsque les lumières de la pièce sont éteintes, surveillez la vue de la caméra pour vérifier la densité d’ensemencement correcte des particules, comme dans cette vidéo ralentie de l’écoulement des jets. Lorsque vous êtes satisfait, enregistrez le nombre souhaité d’images de flux. Une fois les données collectées, commencez le traitement des données en divisant les images collectées en quatre sous-images et en les stockant.

Une fois cela fait, l’écran PTV ouvert apparaît avec des choix de menu en haut et un affichage pour différentes vues de caméra à droite. Passez à l’onglet Démarrer dans les éléments de menu et cliquez pour afficher les options. Cliquez sur redémarrer l’image pour charger les quatre vues de la caméra de la première image brute dans les données.

Déplacez le curseur de la souris sur le répertoire d’exécution et cliquez dessus. De là, cliquez sur les paramètres principaux. Dans la nouvelle fenêtre, allez dans l’onglet général.

Entrez le nombre de caméras, dans ce cas quatre. Continuez à saisir les paramètres sous les autres onglets. Lorsque vous avez terminé, déplacez la souris pour cliquer sur l’élément de menu de prétraitement.

Cliquez là, sur le filtre passe-haut. Le résultat est d’intensifier la diffusion de la lumière dans les quatre images. Toujours sous l’élément de menu de prétraitement, recherchez et cliquez sur détection de particules pour déterminer le centroïde de chaque particule détectée.

Ensuite, sous l’élément de menu de prétraitement, cliquez sur correspondances pour établir des correspondances stéréoscopiques. Ensuite, passez à l’élément de menu Positions 3D. En dessous, sélectionnez des positions 3D pour déterminer la position tridimensionnelle des particules détectées en fonction de l’étalonnage.

Sous l’élément de menu Séquence, recherchez et cliquez sur séquence sans affichage pour répéter les étapes de prétraitement pour toutes les séquences d’images collectées. Entrez maintenant les paramètres à utiliser pour identifier les particules à suivre. Poursuivez en sélectionnant l’élément de menu de suivi.

À partir de là, choisissez le suivi sans affichage pour corréler les images adjacentes. Et choisissez les particules détectées pour visualiser les particules reconstruites en 3D. Une fois le suivi terminé, allez dans l’élément de menu de suivi et sélectionnez-le.

Cliquez sur Afficher les trajectoires pour visualiser les trajectoires dans chaque vue de caméra. Chacune des vues de la caméra a maintenant les trajectoires des particules représentées. De plus, un fichier de données a été créé pour le post-traitement.

Il s’agit d’un échantillon de trois trajectoires de particules représentatives dans la région du champ intermédiaire autour du plan à 16 fois le diamètre du jet du tuyau. Lorsque la distance du noyau du jet est faible, des trajectoires plus longues sont observées dans l’intervalle de temps d’une seconde de ces données. À mesure que la distance du noyau du jet augmente, la longueur de la trajectoire diminue.

À trois fois le diamètre du jet de tuyau, les particules traceuses présentent des trajectoires courtes et complexes. Voici toutes les trajectoires de particules reconstruites avec succès qui traversent le même plan. La distribution des vitesses varie de zéro à 60 % de la vitesse de sortie du jet.

Les basses vitesses sont dans la gamme bleue du spectre et les grandes vitesses sont dans la gamme rouge. L’analyse révèle que les particules proches du noyau du jet présentent des trajectoires plus lisses. Le suivi des particules permet de calculer la courbure le long de la trajectoire des particules.

Il s’agit d’un graphique de la courbure moyenne multipliée par le diamètre du jet de tuyau en fonction de la distance radiale mise à l’échelle pour deux plans. L’un à 16 et l’autre à 17 diamètres de jet de tuyau. Les deux augmentent de manière monotone, mais le plan le plus éloigné de la sortie du tuyau a une courbure moyenne réduite à l’extérieur du noyau du jet.

Ce graphique fournit des informations sur la distribution moyenne de la vitesse d’écoulement des jets dans les 16 diamètres de jet de tuyau de l’avion au-delà de la sortie du tuyau. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en six heures si elle est correctement exécutée, à l’exclusion du temps de traitement à l’aide du logiciel. Lors de cette procédure, il est important de ne pas oublier d’avoir un éclairage uniforme, des réglages corrects de l’appareil photo et une quantité suffisante de particules d’ensemencement.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la configuration du séparateur de vue, de l’assemblage de la source lumineuse, du contrôle des paramètres de la caméra et de l’optimisation du système PTV. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la turbulence pour explorer des études expérimentales sur la dynamique des écoulements lagrangiens.