שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence

Summary

אנו משתמשים בהדפסת תלת מימד כדי לייצר חלקיקים אנזוטרופיים בצורות של שקעים, צלבים, טטרדות ושלישיות, שניתן למדוד את היישור והסיבובים שלהם בזרימת נוזל סוערת ממספר תמונות וידאו בו זמנית.

Abstract

שיטות ניסיוניות מוצגות למדידת התנועה הסיבובית ו translational של חלקיקי איזוטרופי ב זורם נוזל סוער. טכנולוגיית הדפסת 3D משמשת לפברק חלקיקים בזרועות רזות מחוברות במרכז משותף. צורות בחנו הן צלבים (שתי מוטות מאונכות), שקעים (שלוש מוטות מאונכות), שלשות (שלוש מוטות בסימטריה מישוריים משולשת), ו tetrads (ארבע זרועות בסימטרית tetrahedral). שיטות להפקה בסדר גודל של 10,000 חלקיקים צבועים fluorescently מתוארות. מדידות זמן נפתר האורינטציה שלהם וקצב סיבוב מוצק גוף מתקבלות ארבעה סרטוני מסונכרנים של התנועה שלהם זרימה טורבולנטית בין נדנוד רשתות עם R _λ = 91. בשגרת מספר יחסית נמוכה ריינולדס זה, חלקיקי advected הם קטנים מספיק כי הם משוערים חלקיקים נותבו אליפסואידי. אנו מציגים תוצאות של מסלולי 3D זמן נפתר של מיקום וכיוון של החלקיקים כמוגם מדידות של שיעורי הסיבוב שלהם.

Introduction

בפרסומים העדכניים, הצגנו את השימוש של חלקיקים עשויים זרועותיה דקות מרובות למדידת תנועה סיבובית של חלקיקי מערבולת ^1. חלקיקים אלה יכולים להיות מפוברק באמצעות מדפסות 3D, ויתכן נמדדים מצבה, האוריינטציה שלהם במדויק, וקצב הסיבוב באמצעות מספר מצלמות. שימוש בכלים מתורת גוף רזה, ניתן להראות כי חלקיקים אלה המקביל ² ellipsoids היעיל, ואת התנועות הסיבוביות של חלקיקים אלה זהות לאלה של ellipsoids היעיל שלהם. חלקיקים בזרועות סימטריות שווה באורכם לסובב כמו כדורים. חלקיק אחד כזה הוא שקע, שבו יש שלוש זרועות ניצבים הדדיים המצורפות במרכזה. התאמת האורכים היחסיים של זרועות שקע יכולה להקים מקבילת חלקיקים לכל אליפסואיד תלת-צירי. ....

Protocol

ייצור 1. של חלקיקים

1. השתמש בתוכנית שרטוט בעזרת מחשב 3D ליצור מודלים החלקיקים. יצוא קובץ אחד לכל מודל בתבנית קובץ שניתן לעבד על ידי מדפסת 3D בשימוש.
   1. השתמש בפקודה מעגל לצייר עיגול בקוטר של 0.3 מ"מ. השתמש בפונקצית Extrude לעשות גליל באורך של 3 מ"מ.
   2. הפוך צלב עם שני צילינדרים מאונכים עם מרכז משותף; לעשות שקע עם שלושה צילינדרים מאונכים הדדית עם מרכז משותף; לבצע הטטרדה עם ארבעה צילינדרים שיתוף למטרה משותפת ב 1....

Results

איור 3 א מציג תמונה של הטטרדה מאחד המצלמות שלנו מעל מגרש של זוויות אוילר המתקבלת קטע מסלולו (איור 3c). 3 ב איור, התוצאות של האלגוריתם למציאת-אוריינטציה, המתואר בפרוטוקול 5 - 5.3, הן על גבי התמונה הטטרדה. הזרועות של הטטרדה באיור 3 א לא פעלו הפצות העוצמות פשוט כי הם השתמשו כדי ליצור את המודל (פרוטוקול 5.1.3.1). זה נכון לגבי כל החלקיקים. עוצמת ציין יתר ישנה תלות לא טריוויאלית על זוויו.......

Discussion

מדידות של ערבוליות והסיבוב של חלקיקי זרימת נוזל סוער ארוכות הוכרו מטרות חשובות מכניקת זורמים ניסיונית. הסיבוב מוצק הגוף של כדורים הקטנים ב מערבולת הוא השווה למחצית ערבוליות הנוזלת, אבל הסימטריה הסיבובית של תחומים הפכה מדידה ישירה של הסיבוב מוצק הגוף שלהם קשה. באופן מסורתי, ערבוליות הנוזל כבר נמדדה באמצעות מורכבים, חיישן רב, להתניע בוחן ^14. אבל חיישנים אלה רק לקבל מדידות ערבוליות נקודה אחת ב מזרמי אוויר שיש מהירות ממוצעת גדולה. שיטות מדידת ערבוליות אחרות פותחו. לדוגמה, ס.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Condor Nd: YAG 50 W לייזר	Quantronics	532-30-M
מצלמה במהירות גבוהה	Basler	A504k
מצלמה במהירות גבוהה	Mikrotron	EoSens MC1362
Rhodamine-B	ScienceLab.com	SLR1465
נתרן הידרוקסיד	Macron	7708	כדורים.
מדפסת תלת מימד 500 Connex	Objet		משמשת לייצור חלקיקים קטנים יותר. חלקיקים שהוזמנו מ-RP+M (אב טיפוס מהיר בתוספת ייצור).
VeroClear	Stratasys	RGD810	Objet.
Clear Form 1 Photopolymer	Resin Formlabs
עדשות
200 מ"מ עדשות			F-mount.
אמבט אולטרסאונד	סוניקטור
סידן כלוריד	ספקטרום כימי Mfg. Corp.	CAS 10043-52-2	כדורים.
תוכנת עיצוב מערכת LabVIEW	מכשירים לאומיים		המשמשים להפעלת מצלמות, רשת בקרה והפעלת לייזר.
תוכנת XCAP	EPIX		בשימוש עם LabVIEW להפעלת מצלמות.
MATLAB	Mathworks		משמש לכל ניתוח תמונות ונתונים. תוכניות לחילוץ כיווני תלת מימד מתמונות מרובות כלולות בפרסום זה.
OpenPTV: טכנולוגיית מעקב אחר חלקיקים בקוד פתוח	קונסורציום
ParaView	Kitware
AutoCAD	AutoDesk		משמש לתכנון כל החלקיקים. צילומי מסך של עיצובי חלקיקים הם כולם של AutoCAD.
רשת עם 0.040 x 0.053 אינץ 'חורים	תעשייתית	XN5170 – 43.5
מסנני מצלמה	שניידר אופטיקה	B+W 040M