שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence

סיכום

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.

תקציר

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.

מבוא

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. אם אורך זרוע אחת מוגדר שווה לאפס, זה יוצר צלב, אשר אליפסואיד המקביל הוא דיסק. חלקיקים עשויים דקנשק תופס חלק קטן המנפח המוצק של עמיתיהם אליפסואידי המוצקים שלהם. כתוצאה מכך, הם משקעים לאט יותר, מה שהופכים אותם קלים יותר התאמת צפיפות. זה מאפשר הלימוד של חלקיקים הרבה יותר גדולים מאשר הוא נוח עם חלקיקים אליפסואידי מוצקים. בנוסף, ניתן לבצע הדמיה בריכוזי חלקיקים גבוהים משמעותי, שכן החלקיקים לחסום חלק קטן של האור מחלקיקים אחרים.

במאמר זה, שיטות ייצור ומעקב של חלקיקים מודפסים 3D מתועדים. כלים למעקב אחרים תנועת translational של חלקיקים כדוריים מעמדות חלקיקים כפי שניתן לראות על ידי מספר רב של מצלמות פותחו על ידי מספר קבוצות ^3,4. הפרסה et al. ⁵ מורחבת בגישה זו כדי לעקוב אחר מוטה באמצעות המיקום והכיוון של המוטות לראות מספר מצלמות. כאן, אנו מציגים שיטות בודה חלקיקים של מגוון רחב של צורות בשחזור אוריינטציות 3D שלהם. זה מציע האפשרות דואר להאריך מעקב 3D של חלקיקים עם צורות מורכבות למגוון רחב של יישומים חדשים.

יש טכניקה זו יש פוטנציאל גדול להמשך פיתוח בגלל המגוון הרחב של צורות חלקיקים שניתן תוכנן. יש רבים מן הצורות יישומים ישירים בתזרים הסביבה, שבו פלנקטון, זרעים, גבישי קרח מגיעים במגוון עצום של צורות. חיבורים בין סיבובי חלקיקים ומאפיינים בקנה מידה קטנה יסוד של זרימה טורבולנטית ⁶ מראים כי מחקר של סיבובים של חלקיקים אלה מספק דרכים חדשות להסתכל על תהליך המפל הסוער.

פרוטוקול

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 109.5 ° זוויות אחד לשני; לעשות שלישיה עם שלושה צילינדרים מטוס שיתוף למטרה משותפת על 120 מעלות זוויות אחד לשני.
   3. כדי להטות צילינדרים (להלן בשם "נשק" של החלקיקים) עם כבוד אחד לשני, השתמש בפקודת 3D סובב למתוח קו על פני קוטר המעגל באחד הקצוות שלה ולאחר מכן הזן את הזווית הרצויה של סיבוב.
   4. השתמש בפקודת האיחוד לג'ובזרועות השונות יחד לתוך אובייקט לסתור אחת.
   5. השתמש סובב 3D שוב להטות את האובייקט כך שאף נשק נמצאים לאורך צירים אנכיים או אופקיים, כי נשק הנמצאים לאורך צירים אלה נוטים להיות בעלי פגמים, לנתק בקלות רבה יותר, או ומיישרים.
   6. לייצא כל אובייקט בקובץ נפרד במתכונת שניתן להשתמש בהם על ידי מדפסות 3D.
2. להזמין כ 10,000 חלקיקים של כל סוג ממקור מסחרי המתמחה כתוסף בייצור או להדפיס אותם במתקן זמין. חלקיקים יש מודפסים במדפסת שחול פולימר המשתמשת מטריצת תמיכה של חומר שונה שניתן התפוגג.
   1. הזמן את החלקיקים שלושה שבועות או יותר לפני ניסויים מתוכננים כי ההסדר וההדפסה של חלקיקים כך הרבה הוא תהליך איטי. ודא כי חלקיקים מודפסים על "מצב ברזולוציה גבוהה" כי החלקיקים קרובים גודל תכונת המינימום של מדפסות 3D רבות אRMS לא יהיה כמו סימטרי ועלול להישבר אם מודפס ברזולוציה נמוכה.

2. הכנת חלקיקים

1. כן תמיסת מלח שבו החלקיקים הם קלילים ניטראלי כדי למזער בזרועות חלקיקי כיפוף בזמן אחסון וכך שכוחים הכבידו וכוח העילוי לא צריכות להיות היוו בניתוח.
   1. בחן את צפיפות חלקיקים ממוצעת ידי טבילת חלקיקים בפתרונות של מים מעורבבים עם סידן כלורי (CaCl ₂₎ בצפיפויות סביב 1.20 g / cm ^3.
      1. כדי לקבוע את צפיפות המים, אפס הראשון בסולם בעוד בקבוק מדידה ריק 100 מ"ל הוא על גבי זה. קח את הבקבוק מעל ולמלא אותו במים עם CaCl _2. מניח את הבקבוק שוב על גבי הסולם ולחלק את המסה שנתנה 100 מיליליטר.
         הערה: מאחר 1 מ"ל = 1 ס"מ ^3, 1 גר '/ מ"ל = 1 גרם / ס"מ ^3.
      2. חלקיקי מבחן בצפיפויות פתרון אחרים רבות, החל 1.16 g / cm 3 כדי 1.25 גרם / ס"מ ^3, בערך בשנת 0.01 גרם / ס"מ ³ במרווחים. בחן חלקיקים רבים בכל צפיפות כי לא כל החלקיקים יהיו אותה הצפיפות: באותו הפתרון, כמה ישקע, כמה יהיה קלילים ניטראלי, וכמה יצופו.
   2. שיא שבו חלקיקי צפיפות, הם בממוצע, שיט ציפה ניטראלית לאחר מספר שעות.
      הערה: הצפיפות מצאה עשויה להיות שונה באופן מהותי מן הצפיפות בצובר צוטטה על ידי יצרני החלקיקים.
   3. מערבבים כ -400 ק"ג של CaCl ₂ לתוך כ -1,600 ליטר מים עד הפתרון הוא בצפיפות שנרשמה 2.1.1 - 2.1.2.
   4. הסר על 1 ליטר של פתרון מעורב זה לכל סוג החלקיקים (שקעים, tetrads, וכו ') כדי לשמש לאחסון של חלקיקים. חזק כל ליטר במכל שונה בטמפרטורת חדר. אחסן את שאר הפתרון בטמפרטורת החדר במיכל אחסון גדול.

בתוך-page = "תמיד">
איור 1. שקע בשלבים שונים של הסרת שרף. א) גושי שרף תמיכה כי חלקיקים להגיע ב.) זינוק חד מופרדים משאר. לסה"נ) בשלבים מרובים של הסרת שרף נעשה ביד. ו) יחיד שקע לאחר האמבט NaOH וצבע Rhodamine-B. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. ידני לשחרר את החומר תמיכה שבו החלקיקים לבוא עטוף על ידי שבירת חתיכות גדולות בעדינות (~ 5 מ"מ x 320 מ"מ, שחלקו מוצג באיור 1 א) למקטעים קטנים (~ 5 מ"מ x 5 מ"מ, איור 1b), ולאחר מכן לעסות כל מקטע ידני עד הרבה של השרף העודף הגיע off (ה-1c איור). removדואר שרף עודף בדרך זו כדי להפחית את כמות הפתרון NaOH כי יהיה צורך נוצר לצעדים 2.2.1 - 2.2.4.
   1. מניח את גוש שרף הנותר בתוך 10% על ידי פתרון סודיום הידרוקסיד מסה (NaOH) שקוע באמבטיה קולית במשך שעה אחת. השרף הוא חומר שונה מאשר החלקיקים הם, כך NaOH יסיר את השרף מבלי להשפיע על החלקיקים לצמיתות.
      זהירות: הפתרון הוא מאכל יקבל בעוד חם באמבטיה הקולית.
   2. לסנן חלקיקים.
      1. כדי לסנן חלקיקים, ליצור משפך באמצעות רשת עם 0.1016 ס"מ x 0.13462 חורים פלסטיק ס"מ. החזק את המשפך מעל הארגז לשמש לרשות פתרון NaOH ולאט לאט לשפוך את הפתרון דרך. השלך פתרון NaOH בהתאם להנחיות בריאות הסביבה ובטיחות.
   3. חלקיקים לשטוף בעדינות עם מים לפני טבילת 10% חדשים על ידי פתרון המוני NaOH באמבטיה קולית עוד חצי שעה.
   לסנן חלקיקים כמו 2.2.2.1 ולאחסן בפתרון בהתאמה הצפיפות נפרד ב 2.1.4 בזמן שהם להקשיח. טפלו חלקיקים בזהירות כי הפתרון NaOH מרכך אותם באופן זמני.
   הערה: אם חלקיקים אינם מאוחסנים פתרון צפיפות בהתאמה, קצת נשק יכול להתכופף. שמירה על אותם שקוע בפתרון בהתאמה הצפיפות במשך כמה שעות גם מאפשרת כמה חללי הפלסטיק להתמלא נוזלים.

חלקיקים דיי עם Rhodamine-B מעורבב עם מים, כך שהם לזרוח תחת האור הנפלט על ידי לייזר ירוק.

1. כן פתרון 1 ליטר של צבע Rhodamine-B במים בריכוז של 0.5 גר '/ ל (אחר המכונה "לצבוע").
   זהירות: רעילה.
2. מחממים את צבע לטמפרטורה של בין 50 ל -80 מעלות צלזיוס, תלוי בחומר החלקיקים. השתמש טמפרטורות גבוהות יותר עבור פלסטיק קשה; באמצעות גבוה מדי של טמפרטורה יגרום זרועות כיפוף.
3. שים ~ 2,500 חלקיקים, מספיק כדי למלא באופן רופף ~ 25 מ"ל in הפתרון אחסון בהתאמה צפיפות, ב לצבוע ולשמור בבת 80 מעלות צלזיוס למשך שעתיים עד שלוש שעות כדי לאפשר לצבוע לספוג לתוך הפולימר. סור חלקיקים פעם הם ורודים, דומים לזו המתוארת 1F איור.
   זהירות: החום יהיה לרכך את החלקיקים זמניים.
4. לסנן חלקיקים ולשטוף אותם לפני האחסון הפתרונות המיועדים נפרדו ב 2.1.4. החלקיקים יאבדו חלק קטן של הצבע שלהם, מה שהופך את ורוד הפתרון, אבל השטיפה מתחת לברז עוזר למנוע מאבד כמות מזיקה של צבע.
   הערה: צפיפות חלקיקים הממוצעת תהיה השתנתה עקב צביעה, כך לבדוק שוב כמו 2.1.1-2.1.2 כדי למצוא את צפיפות הפתרון החדשה שבו חלקיקים הם, בממוצע, קלילה ניטראלי.

שינוי פתרון CaCl ₂ בתפזורת (מ 2.1.3) צפיפות לפי הצורך. חזור 2.1.4 ולהסיר כרכים חדשים של פתרון צפיפות בהתאמה. השלך פתרונות אחסון לשעבר, אשר כעת יש כמויות קטנות של ד Rhodamine-Bאתם בהם, בהתאם לתקנות בריאות הסביבה ובטיחות.

חזור 2.3.2-2.3.4 לערכות רצופות של חלקיקים ~ 2,500, אחסון כל החלקיקים אותה הצורה של פתרונות צפיפות בהתאמה באותו שנוצרו 2.4, מופרד חלקיקים של צורות שונות.
הערה: לאחר כ 5 חזרות של 2.3.2-2.3.4, פתרון Rhodamine-B כבר לא יהיה ריכוז גבוה מספיק כדי לצבוע חלקיקים ביעילות.

השלך את הפתרון שנוצר 2.3.1 בהתאם לתקנות בריאות ובטיחות הסביבה, ולאחר מכן לחזור 2.3.1 וליצור פתרון 0.5 גר '/ ל חדש עם אשר לצבוע חלקיקים.

חזור על 2.6 כל 5 חזרות של 2.3.2-2.3.4.

3. ניסיונותיי התקנה אופטית

איור 2. התקנה ניסיונית. בזרימת המתומן בין רשתות נדנוד, נפח צפייה מרכזי במוקדארבע מצלמות וידאו מואר ע"י Nd ירוק:. ליזר YAG א) מבט צד מראה כיצד ארבע המצלמות מסודרות ומחוברות למחשבים. איור מ ^-13. ב) לאור למעלה מראה ליזר, מראה, ותצורת עדשה להשיג תאורה אחידה בהיקף המרכזי. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

1. הכן את המצלמות.
   1. השתמש מצלמות מסוגלות לפחות רזולוציה מגה פיקסל 1 ב -450 פריימים לשניים.
   2. מסדר את המצלמות כך שכל מצלמה מכוונת, והוא התמקד, במרכז נפח הצפייה. מצלמות פחות ניתן להשתמש, אולם ההצללה של זרוע של חלקיק ידי זרוע אחרת מגביל את דיוק מדידת האורינטציה, ויש להם מצלמות פחות עושה ניסויים רגישים יותר את האפקט הזה. שימוש יותר מארבע מצלמות יכול גם להגדיל אוריינטציה measuremדיוק אף אוזן גרון כי זה יקטין את הסיכוי של נשק שעוקב אחריי על כל המצלמות, אשר היא מקור עיקרי של חוסר ודאות.
   3. מקם את המצלמות עם גדול (~ 90 °) זוויות בין כל זוג מאילוצים של המנגנון. מניח מצלמות כפי שמוצג באיור 2 לאזן גישה ניסיונית את גודל הזווית בין מצלמות שונות. מזער עיוותים אופטיים על ידי בניית פתחי הצצה לתוך המנגנון בניצב לכל כיוון הצפייה המצלמה.
   4. השתמש 200 מ"מ עדשות מאקרו על כל מצלמה להשיג נפח המדידה הדרוש ממרחק עבודה של חצי מטר. היקף שנצפו על ידי כל ארבעת המצלמות קובע את נפח איתור, שזה בערך 3 x 3 x 3 ס"מ ^3.
   5. כייל את המצלמות כדי לאפשר שינוי מעמדות פיקסל המדוד קואורדינטות בחלל 3D.
      1. הגדר את פתחים ל f / 11 ו הר 532 מסננים לחרוץ ננומטר להסיר אור לייזר תוך מתן דרך-wavelengt עודקרינת h על המצלמות
      2. מניחים מסכת כיול תמונה במיכל, למלא את המיכל עם הפתרון בתפזורת מ -2.4, ולהאיר את המסכה.
      3. התאם את המצלמות כך שלכל אחד מהם יש את המסכה לאור וכולם מתמקדים באותה נקודה על המסכה. בזהירות ליישר את המצלמות כדי לייעל את הצורה של נפח זיהוי.
      4. היזהר לשנות כמה שפחות על ההתקנה האופטית מכאן ולהבא.
      5. רוכש ולאחסן תמונות של המסכה מעל כל מצלמה.
      6. מסנן את הפתרון מתוך הטנק ומשאבה חזרה אותה במקום שבו אוחסנה בעבר.
      7. חלץ את הפרמטרים לציין את המיקום, צופה לכיוון, גדלה, ועיוותים אופטיות של כל מצלמה מתמונות הכיול. עושים זאת על ידי זיהוי מקומות על מסכת כיול גלוי על כל ארבעת המצלמות והגדרת המרחק בין הנקודות הללו. בעזרת מידע זה, להשתמש בשיטות כיול סטנדרטיות לחלץ רשות רלוונטיתrameters.
         הערה: שיטת הכיול הבסיסית מתוארת צאי, 1987 ⁷ היישום השתמש בניסויים אלה מתואר Oullette ואח ³ חוקרים המעוניינים לפתח תוכנת כיול מצלמה עשויים גם לשקול OpenPTV ^4...
      8. יצירת קובץ כיול סופי באמצעות תהליך כיול דינמי. הדבר נעשה לאחר נתוני חלקיקים נותבו כבר נרכשו. השתמש קוי לפחות ריבועים לחפש לייעל את פרמטרי כיול המצלמה ולקבל את חוסר ההתאמה הקטנה בין העמדות של חלקיקים לראות על מספר מצלמות. שיטות אלה מתוארים Ref. ⁸ ו ^-9.
2. עם Nd ירוק ממותגת Q: YAG לייזר המסוגל 50 הספק ממוצע W (המכונה להלן: "לייזר"), להאיר גליל במרכז הטנק עם בערך בקוטר 3 ס"מ חתך, שבו הזרימה היא הומוגנית. ⁸
   הערה: כוח הליזר הוא specified בתדר דופק של 5 kHz. התדירות הדופקת בניסויים אלו היא 900 הרץ, שבו כוח הפלט הוא נמוך משמעותי.
   1. פיצול בין האור ובין לייזר באמצעות מפצל קרן ולהשתמש במראות כדי להדריך קורה אחת לתוך מול הטנק ואת מאונך, אחרים אל הראשון, אל דופן האקווריום.
   2. מניח שתי מראות נוספות מחוץ הטנק, מול שבו הקורות נכנסים, על מנת לשקף את האור בחזרה לתוך הטנק וליצור תאורה אחידה יותר, הפחתת תופעות הצללה דרמטית.
      הערה: ההיקף באורך של השפעות התערבות מקורה הפצת המרשם הוא קטן מכדי להשפיע משמעותי בניסויים אלו.

4. בצעו את הניסויים

1. הכן להקליט וידאו מכל מצלמה.
   1. לתכנת מערכת דחיסת תמונת מסיר נתוני תמונה רצויות בזמן אמת. ^{10, 1 3}
      1. אם המצלמה עושה nיש ot חלקיק לאור, לא לשמור את התמונה.
      2. איפה ישנם פיקסלים בהירים, להציל רק את המיקום ואת הבהירות של פיקסלים בהירים במקום התמונה כולה.
         הערה: מכיוון שלכל חלקיקים בדרך כלל מכסים כ -5,000 פיקסלים בהירים ויש נמצא במרחק שאינו עולה חלקיק אחד בתצוגה בכל פעם, מערכת דחיסת התמונה מפחיתה באופן משמעותי את כמות האחסון הנדרשת כדי להקליט עם מצלמות במהירות גבוהה במשך שעות רבות.
   2. הכן את תוכנת הנתונים acquisitioning.
2. הכן את זרימה טורבולנטית בתוך טנק מתומן 1 x 1 x 1 מ ^'3 באמצעות שתי רשתות רשת מקבילה 8 ס"מ נדנוד בשלב. ⁸
   1. משאבת פתרון ₂ CaCl מ -2.4 לתוך תא ואקום ולשמור אותו בתא לילה דגת הפתרון, אשר ממזער בועות אוויר בתוך הניסויים.
   2. פתרון שאיבה מאולם הוואקום דרך פילטר 0.2 מיקרומטר לתוך טנק המתומן שבו ניסויי will להתבצע.
3. הפעל את הניסוי.
4. בחר סוג חלקיק אחד (חלקיקים נותב, שקעים, צלבים, tetrads, או שלשות) כדי לשמש לסיבוב הראשון של ניסויים ולהוסיף כל 10,000 חלקיקים אלה לתוך המים דרך יציאה בראש המנגנון. סגור יציאה זו לאחר הוספת חלקיקים.
   1. הפעל את הלייזר על.
   2. מצלמות לייזר סט להגיב טריגר חיצוני ולקבוע את תדירות של ההדק עד 450 הרץ עבור מצלמות ו -900 הרץ עבור לייזר. השתמש טריגר החיצוני על מנת להבטיח שכל המצלמות להתחיל רכישה בו זמנית להישאר מסונכרנות לאורך כל ההקלטה
   3. פתח את הצמצם לייזר.
   4. הגדר את הרשת לתדר נבחר (1 או 3 הרץ) ולהתחיל אותו פועל. לפני שמתחילים רכישת נתונים, להפעיל את הרשת עבור דקות על 1 כדי לאפשר מערבולת לפתח באופן מלא.
   5. שיא 10 ⁶ מסגרות כדי לשמור על גודל קובץ לניהול לשמור שגיאות שעלולות להתרחש בתמונהמערכות דחיסה להתפשר יותר מדי נתונים.
   6. סגור את צמצם הליזר ולעצור את הדק המצלמה. אפס את מערכות דחיסת תמונה ומצלמות.
      1. בדוק כי קבצי וידאו לא נפגמו על ידי הצגת חלקים של כל קובץ.
   7. חזור 4.4.1 - 4.4.6 עד 10 ⁷ תמונות הוקלטו בתדר הרשת שנבחר החלקיק הנבחר.
5. שנה את תדירות רשת אל אחד שנבחר לא 4.4.4 וחזור 4.4.4 - 4.4.7
6. לרוקן את המיכל ולסנן את המים כדי להסיר את כל החלקיקים. שמור חלקיקים במי האחסון מ -2.4 אם תרצה בכך.
7. חזור על 4.4 - 4.6 כל סוגי החלקיקים.
8. אחרי כל הניסויים כבר סיימנו, לכייל מצלמות פעם נוספת, כמו 3.1.5-3.1.5.7.

ניתוח 5. נתונים

הערה: סעיף זה לפרוטוקול מציג סקירה של התהליך נעשה שימוש כדי להשיג אוריינטציות החלקיקים ושיעורי סיבוב. את p הספציפיrograms נלקח בחשבון, ביחד עם תמונות בדיקה וקבצי כיול, כלולים כתוספת בפרסום זה, והם פתוחים לשימוש על ידי כל קוראים מעוניינים. (ראה קובץ "Use_Instructions.txt" בקובץ משלים "MATLAB_files.zip".)

1. בעזרת פרמטרי כיול המצלמה, לקבל את מיקום וכיוון 3D מתמונות של חלקיקים על מספר מצלמות.
   1. בכל מסגרת, למצוא את המרכז של החלקיקים על כל אחת מארבע התמונות. כל החלקיקים בניסויים אלה הם סימטריים מספיק שמרכז האובייקט הוא במרכז הגיאומטרי של פיקסלים הבהירים על התמונה כאשר צופים מכל פרספקטיבה.
   2. מצא את מיקום 3D של החלקיקים על ידי stereomatching עמדות 2D סימולטני שלה על כל ארבע המצלמות ^{3, 8.}
   3. ליצור מודל מספרי של החלקיק שיכול להיות מוקרן כל מצלמה, אשר ימחישו את העוצמת בתמונה ממצלמה זה.
      1. עצב את הרשותrticle כמו שילוב של מוטות. בעזרת פרמטרי כיול מצלמת 3.1.5.7 ו 3.1.5.8, להקרין לנקודות הקצה השנייה של כל מוט על המצלמות ואז מודל חלוקת עוצמת אור בשני ממדים, עם פונקציה גאוס לרוחב של המוט לבין פרום פונקצית -Dirac ברחבי אורכו פי פרוטוקול תוכנה.
      2. עוצמת דגם אור בשני ממדים בדרך זו כדי לצמצם את העלות החישובית של ניתוח נתונים. הטלה של מודל תלת-מימדי מלא של החלקיקים פלורסנט יכולה לשפר את הגישה הזו, אבל יהיה הרבה יותר אינטנסיבית המחשוב.
      3. לחץ על הפעל כדי להתחיל ניתוח.
   4. בחר ניחוש ראשוני של אוריינטציה החלקיקים.
      1. אם לנתח את המסגרת הראשונה שבה חלקיק זה גלוי, הניחוש הראשון יכול להיות קבוצה אקראית של זוויות אוילר.
      2. אם החלקיק הזה היה לפחות מסגרת אחת קודם, השתמש אוריינטציה למצוא באמצעות המסגרת הקודמת כמוהניחוש הראשוני.
   5. בצע קוי הפחות ריבועים להתאים כדי לקבוע את הכיוון של החלקיקים.
      1. מטב את העמדה 3D שלוש קואורדינטות ושלושת זוויות אוילר כך שההפרש בריבוע בין עוצמת נמדד ואת הקרנת 2D של מודל ממוזער על כל ארבעת המצלמות פי פרוטוקול תוכנה.
         הערה: יש מוסכמות מרובות להגדרת זוויות אוילר. להגדיר את הזוויות, (φ, θ, ψ), כדלקמן: φ הוא סיבוב ראשוני על ציר Z, יצירת x צירים חדשים 'ו- y'; θ הוא סיבוב על x ', יצירת צירים חדשים z' ו- y ''; ψ הוא סיבוב על הציר החדש z '. ¹¹
   6. בחר את הכיוון הדורש סיבוב הקטן ביחס המסגרת הקודמת. עבור ג'ק, הזוויות אוילר נמצאו לתת לאחד 24 האוריינטציות הסימטריות; fאו הטטרדה זה הוא אחד מ -12 אורינטציות סימטריות; עבור צלב, הוא אחד 8 אורינטציות סימטריות; ובמשך שלישייה הוא אחד מ -6 אורינטציות סימטריות.
      הערה: השיטה ב 5.1.6 מניח כי החלקיקים לא לסובב יותר ממחצית אחת של זוויות הפנים שלה בין מסגרות. הצדקה להנחה זו ניתנת דיון.
2. שמור את המיקום ואת זוויות אוילר כפונקציה של זמן.
3. השתמש בנתונים אלה כדי לחלץ בקצב סיבוב מוצק גוף כמויות אחרות.

תוצאות

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...

דיון

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...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
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