מאמר שיטה

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

DOI:

10.3791/58036

⸱

12 במרץ 2019

 , 
1Department of Coastal and Marine Systems Science, Coastal Carolina University

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בטכניקה המתוארת במסמך זה מציע שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית קינמטיקה של חלקיקים, מערבולת, זורם עם ריכוז נמוך של חלקיקים. המערבולות נמדד באמצעות חלקיקים תמונה velocimetry (PIV), קינמטיקה של חלקיקים מחושבים מתוך תמונות שהושג עם מצלמה במהירות גבוהה ב- חופפים שדה-של-view.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בעיות רבות בתחומים מדעיים והנדסיים לערב הבנה קינמטיקה של חלקיקים בתוך מערבולות זורם, כגון מזהמים, מיקרו-אורגניזמים ימיים, ו/או בחקר האוקיינוס, או מיטה fluidized כורים בתהליכי בעירה מערכות הנדסה. על מנת ללמוד את ההשפעה של מערבולת על קינמטיקה חלקיקים ב זורם כזה, מדידות סימולטני של קינמטיקה זרימה וגם חלקיקים נדרשים. זרימה לא פולשני, אופטי טכניקות מדידה למדידת זרימה טורבולנטית, או למעקב אחר חלקיקים, אך מדידת שניהם בו זמנית יכול להיות מאתגר עקב הפרעה בין הטכניקות. השיטה המובאת במסמך זה מספק שיטה זולה ופשוטה יחסית כדי לבצע מדידות סימולטני של קינמטיקה זרימה, של חלקיקים. חתך רוחב של הזרם נמדד באמצעות טכניקה velocimetry (PIV) התמונה חלקיקים, אשר מספק שני רכיבים של מהירות במישור מדידה. טכניקה זו מנצל פעמו לייזר עבור תאורה של שדה הזרימה הזריעה היא תמונה על-ידי מצלמה דיגיטלית. קינמטיקה חלקיקים הם בו זמנית עם תמונה באמצעות אור פליטת נורית led קו אור המאיר חתך מישורי של הזרם זה חופף PIV השדה-of-view (FOV). האור הקו הוא של צריכת חשמל נמוכה מספיק, כי זה אינו משפיע על המדידות PIV, אבל חזק מספיק כדי להאיר את חלקיקים גדולים יותר עניין עם תמונה באמצעות המצלמה במהירות גבוהה. במהירות גבוהה תמונות המכילות את פעימות לייזר של הטכניקה PIV מסוננים בקלות על-ידי בדיקת רמת העוצמה מסוכם של כל תמונה במהירות גבוהה. בכך את קצב המסגרות של המצלמה במהירות גבוהה incommensurate עם זו של קצב המסגרות של המצלמה PIV, מספר המסגרות מזוהמים בסדרה זמן מהיר יכול להיות ממוזער. הטכניקה מתאימה זורם אומר כי הם בעיקר דו מימדי, מכילים חלקיקים לפחות 5 פעמים הקוטר אכזרי של PIV זריעה המשדרים, והוא נמוך בריכוז.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

קיימים מספר רב של יישומים בתחומים מדעיים והנדסיים המערבות את אופן הפעולה של חלקיקים בתוך מערבולות זורם, לדוגמה, אירוסולים אווירה, מזהמים ו/או בחקר הנדסה מערכות ים מיקרו-אורגניזמים או משקעים של האוקיינוס1,2,3. במקרים כאלה, לעתים קרובות עניין כדי להבין איך החלקיקים להגיב מערבולת, אשר מחייב מדידת סימולטני קינמטיקה של חלקיקים ולא את הדינמיקה של נוזלים.

טכנולוגיות קיימות כדי למדוד חלקיק תנועות, שנקרא חלקיקים מעקב (PT), אשר עוקב אחר חלקיקים בודדים, טכניקה סטטיסטית של חלקיקים תמונה velocimetry4,5 (PIV), המשמש למדידת זרימה המהירויות, שניהם לשלב טכניקות אופטי פולשנית. האתגר העיקרי באמצעות טכניקות פולשנית אלה אופטי למדידת קינמטיקה זרימה וגם החלקיקים בו זמנית הוא ההארה נפרד הדרושים עבור כל טכניקת דימות יכולה להתערב מדידת דיוק (של האחר למשל, מקור תאורה למדידת קינמטיקה של חלקיקים לא יכול להתנהג כמקור משמעותי רעש מדידת מהירות נוזלים, ולהיפך). הניגוד בתמונה בין שני סטים של תמונות צריך להיות מספיק כדי להשיג תוצאות אמינות. לדוגמה, הדימויים PT מומרים לתמונות שחור-לבן על מנת לבצע ניתוח בועה כדי לקבוע עמדות חלקיקים; לכן, לא מספיק חדות מוביל שגיאות חלקיקים בעמדות. ניגודיות המסכן בכמויות תמונות PIV כדי יחס אות לרעש נמוך זה יגרום אי דיוקים אומדן בין המהירויות נוזלים.

. הנה, מתוארת שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית שתי המהירויות קינמטיקה ואת זרימת חלקיקים. באמצעות שימוש של אור מונוכרומטי ובעוצמת פולטות נורית led קו אור, איפה הקו מתייחס צמצם אור ולייזר בעוצמה גבוהה לחיבורי, שני חלקיקים של ריבית ואת השדה זרימת הם צילמו באותו אזור בו זמנית. הכוח גבוהה של ה-LED מספיקה ההדמיה של החלקיקים (מסומנים) על ידי המצלמה במהירות גבוהה אך לא משפיע על הדימויים PIV בגלל עוצמת האור המתפזרת המשדרים PIV הוא נמוך מדי. כאשר הלייזר בעצימות גבוהה לחיבורי מאירה השדה זרימה לתמונות PIV, היא מתרחשת על מרווח זמן קצר, תמונות אלה הם ולהסרה בקלות מתוך הסדרה זמן מתקבל על ידי המצלמה PT במהירות גבוהה בעת שהם רשומים. PIV לייזר פולסים הקליט בזמנו תמונה במהירות גבוהה (משמש עבור חלקיקים מעקב) סדרת ניתן למזער על ידי לא הפעלת את שתי המערכות במחירים רכישת מסגרת זה העולים בקנה אחד עם השני. ב setups מתקדמים יותר, יכולה להפעיל באופן חיצוני את המצלמות PT ו- PIV עם עיכוב זה יבטיח שזה לא קורה. בסופו של דבר, לפי שיקול דעת זהיר של כמות חלקיקי מסומנים בתוך PIV שדה הראייה (FOV), שגיאות שהוצגו על ידי החלקיקים מסומנים בניתוח המתאם של תמונות PIV כבר נלקחים בחשבון על ידי הערכת השגיאה הכללית, כולל שגיאות המשויכת עם התפלגות גודל לא אחידה של המשדרים PIV בתוך חלון החקירה. הרוב המכריע של PIV זריעה המשדרים עוקבים הזרם מניב הערכות מהירות זרימה מדויקים. טכניקות אלה מאפשרות מדידה ישירה בו זמנית את שני החלקיקים קינמטיקה וזרימה השדה מטוס דו מימדי.

טכניקה זו מומחש החלתו כדי לקבוע חלקיקים מתארגן מאפייני זרם מערבולות, הדומה לזו המשמשת במחקרים יאנג ואני ביישן6 . ג'ייקובס ואח 7. חלקיקים להתיישב הוא השלב הסופי בהעברה משקעים, המורכב בדרך כלל השעיה משקעים, תחבורה, להתיישב. מחקרים קודמים רוב יש לטפל בהן חלקיקים מתארגן מערבולות, או חלקיקים או המהירויות הסוערים לא נמדדים באופן ישיר אבל להסיק באופן תיאורטי או הוצג8,9,10. פרטים על האינטראקציות בין חלקיקי, מערבולת לרוב נחקרו באמצעות מודלים תיאורטיים ומספרי בגלל מגבלות ניסיוני במדידת את שניהם בו זמנית6,11. אנו מציגים חקר מקרה אינטראקציה של חלקיקים מערבולת מתקן רשת נדנוד, בו נלמד את מהירות שיקוע של חלקיקים שלהם צימוד עם מערבולות. למען הבהירות להלן נתייחס החלקיקים תחת חקירה 'חלקיקים', החלקיקים זריעה הטכניקה PIV משמש "המשדרים"; בנוסף, נתייחס המצלמה בשימוש עבור ההדמיה במהירות גבוהה של חלקיקים "חלקיקים מעקב", "PT" או מצלמה "מהיר", אשר מודד "מהיר" ותמונות המצלמה בשימוש עבור שיטת PIV "המצלמה PIV", אשר מודד "תמונות". השיטה המתוארת במסמך זה מאפשר את המדידה בו זמנית של חלקיקים קינמטיקה ודינמיקה נוזל מעל שדה מוגדר מראש של עניין בתוך המתקן. נתונים המתקבלים מספק תיאור דו-ממדית של האינטראקציה של חלקיקים מערבולת.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הערה: כל אנשי הצוות בקיצור תוך שימוש בטוח ואת הפעולה של Class IV לייזרים באותה מידה כמו שימוש בטוח ותפעול של כלי יד, כח.

1. הגדרת ניסיוני

  1. PIV ההתקנה
    1. להגדיר את לייזר לחיבורי ואופטיקה.
      1. מקם את הלייזר בצלחת אופטי. רמה הלייזר ביחס לתחתית של המתקן (או לגבי הקרקע בעת הצורך יש המהירויות אנכי מיושר עם תאוצת הכובד) ויישר אנכית של קרן הלייזר עם המרכז של המטוס 2D לדימות.
      2. מקם את העדשה גלילי בנתיב של קרן הלייזר נאבטח אותו לצלחת אופטי. העדשה יהוו את הקרן לתוך מטוס דו-מימדית. הגודל של המטוס 2D עם תמונה יהיה תלוי אורך המוקד של העדשה ואת המרחק מן האזור להיחקר. התאם את העדשה ואת המרחק עד האזור מואר הוא גדול מספיק עבור היישום הספציפי.
      3. במקום עדשה כדורית על הצלחת אופטי בין העדשה גלילי המטוס תמונה דו-ממדית. המרחק בין העדשות כדורית, גלילי את אורך המוקד של העדשה כדורית יקבע את העובי של המטוס 2D מואר (אור הגיליון). להתאים את המרחק הזה ואת אורך המוקד של העדשה עד הגיליון אור כ 0.5-1 מ"מ עובי.
    2. מקם ולבצע כיול ראשוני של המצלמה PIV.
      1. לצרף העדשה למצלמה PIV, מדליק המצלמה PIV במצב חינם/רציף, ולהתמקד גס PIV המצלמה. להתאים את עצירת f של המצלמה PIV כדי לאפשר האור מספיקות להתקבל על ידי חיישן ההדמיה; ההגדרה עצירת f עשויים להשתנות כאשר משתמש של החדר אור לבן לעומת תאורה מבוססת לייזר.
        1. התאם את העדשה ואת המרחק עד לגודל התמונה מספיקה לבחון את האזור של ריבית. מבחר של העדשה, המרחק בין PIV מצלמה הגיליון אור קובע את הגודל הפיזי של התמונה של המצלמה PIV. באופן אידיאלי, גודל התמונה צריך להיות קטן יותר (או דומה) בגודל של ההתקנה אור גיליון ב 1.1.1.
      2. להבטיח המצלמה PIV הוא בניצב הגיליון אור ולהתאים גס את הגובה כך האזור עניין (המוגדר על-ידי גבולות גליון אור – ראה שלב 1.1.1) נמצא במרחק השדה-of-view של המצלמה PIV (FOV).
      3. רמה את המצלמה PIV ביחס בתחתית המתקן זרימה (או לגבי הקרקע בעת הצורך יש המהירויות אנכי מיושר עם תאוצת הכובד). זה בעל חשיבות עליונה כי המצלמה PIV להיות בדיוק בניצב הסדין אור, אז זה צריך להיבדק ביסודיות.
      4. כבה את המצלמה PIV והפעל את הלייזר. להציב מטרה כיול, ליישר אותו עם המרכז של הגיליון אור ולאחר מכן בטל את הלייזר.
        הערה: המטרה כיול הוא דו מימדי צלחת (בדרך כלל עשוי מתכת למטרות קשיחות), המכיל מספר סמני (למשל, נקודות או חוצה) מיושרים במבנה קבוע במרווחים רשת. הצלחת בדרך כלל צבוע שחור עם סמנים לבנים. המרחק ידוע בין הסמנים מאפשרת הערכה של מקדם המרה בין יחידות פיזיות לפיקסלים.
      5. להדליק את המצלמה PIV ולמקד את המוקד של המצלמה PIV היעד כיול. פיקסלים ברזולוציה של המצלמה PIV יקבע כמה טוב האזור יכולים להיפתר בחלל; לכן, זה להתייחס (ראה שלבים 2.1.1 ו 2.1.4 לפרטים על שיקולים אלו).
      6. לכידת תמונה אחת. אשר שהמצלמה PIV הוא רמה על-ידי הבטחת כי גובה לאורך שורה של היעד כיול הוא עקבי, כמו גם המיקום האופקי לאורך עמודת היעד כיול זה עקבי. בדוק את הגודל של כיול סמני בכל פינה של התמונה (בפיקסלים) על מנת להעריך את כמות עיוות התמונה, אשר צריך להיות ממוזער. ההבדל בגודל של כיול סמני בכל אחת מארבע פינות אידיאלי צריך להיות אפס; אבל צריך שונה על ידי יותר מ 1 פיקסל.
    3. להוסיף PIV המשדרים הזרימה.
      1. בחר המשדרים מתאים הזה הם נייטרליים קליל (דומה צפיפות כמו הנוזל), אינרטי מבחינה כימית, מתאים בגודל וצורה (כדורית, קטן מספיק כדי לעקוב אחר הזרימה) ויש אינדקס השבירה גבוה יחסית נוזלים12,13 .
        הערה: במחקר הציג במקרה איפה הנוזל המים, השתמשנו הספירות זכוכית חלול עם רשע בקוטר של 10 μm צפיפות של 1.1 גרם/סמ ק.
      2. להציג את המשדרים PIV לתוך הזרם ולהפעיל את המתקן (נעים הרשת) עד הם גם מעורבים. בהדרגה להציג את המשדרים ולהעריך את איכות התמונה ואת רמת הצפיפות של המשדרים בתוכו.
        הערה: הפרדה גדולה בין עוצמת רמת אפורה מעקב לבין עוצמת הרקע הוא אופטימלי.
        1. להעריך על-ידי הפעלת הלייזר ואיסוף תמונות במצב חינם/רציף. הריכוז של המשדרים התמונה צריך להיות צפוף אבל לא מנומר4,14. לשקול את הגודל של חלון המתאם הרצוי בבחירת רמת הריכוז, הוא הציע לי סביב 8-10 זוגות חלקיקים ברור PIV התמונה זוגות על הצלב-המתאם ניתוח4 (ראה שלב 2.1.1).
    4. הגדר את פרמטרי PIV. הפרמטרים PIV מורכב PIV המצלמה שער מסגרת (שהוא זהה קצב החזרה כפולה-הדופק לייזר), התזמון בין התמונה זוגות (קרי, תזמון בין פעימות לייזר (כפול) ברציפות), ואת מספר זוגות תמונה כדי לאסוף. ייתכן שיהיה צורך עידון של הגדרות אלה לאחר סקירה של תוצאות מ שלב 1.1.5.
      1. הגדר את התזמונים של המצלמה PIV, לייזר (במסגרת שיעור). אלה לקבוע את רזולוציית זמן של מפות וקטור מהירות שנדגמו, צריך להיות גבוה ככל האפשר (הגבלה של המצלמה PIV, לייזר או שטח דיסק קשיח) עד חצי הקטן ציר הזמן של הזרם.
      2. להגדיר את התזמון בין תמונות PIV רצופים (קרי, זוג תמונות PIV).
        1. להגדיר את התזמון בין תמונות PIV רצופים המבוסס על מהירות זרימה ממוצעת של המתקן ואת גודל החלונות החקירה (ראו 2.1.1). יש את המשדרים תחסיר כ 1/4-1/2 של החקירה גודל חלון הזמן שחלף בין תמונות רצופות. הזמן בין תמונות רצופות מגדיר גם את התזמון בין פעימות לייזר שני.
        2. מגדירות מראש את הפולס הראשון לירות זמן קצר לאחר הצמצם של המצלמה PIV נפתחה. אם בעזרת מצלמה PIV קרוס-קורלציה, המצלמה PIV מאחסן את התמונה בזיכרון מאגר ופותח מחדש את התריס שוב.
        3. לירות הדופק לייזר השני בהתבסס על זמן הכיוונון בזאת. פעם לאש הדופק השני, המצלמה הצמצם ייסגר שוב, לשלוח גם תמונות מסגרת תופש (או זיכרון מצלמה PIV ב- board).
        4. לקבוע הזמן בין הדופק הראשון, זה מעורר רכישת התמונה הראשונה של זוג תמונות ולדרג הפולס הראשון שמפעיל רכישת התמונה הראשונה של זוג תמונות עוקבות על ידי המסגרת המצלמה PIV (ראו 1.1.4.1).
      3. הגדר את המספר של התמונה זוגות כדי לאסוף. מספר זוגות תמונה כדי לאסוף צריך להיבחר כדי להבטיח ההתכנסות של מאפייני זרימה סטטיסטי, אשר תלוי הגדרת הניסוי אבל הוא בדרך כלל בטווח של מאות עד אלפי זוגות תמונה.
    5. בדוק את הכיוונון PIV.
      1. הגדר את הלייזר למצב טריגר חיצוני עבור שני הראשים לייזר ולהגדיל את עוצמת הלייזר. לגמרי להכהות את החדר.
      2. ליזום איסוף נתונים במצב מתמשך מסונכרן במשך כמה שניות.
      3. לעצור את איסוף הנתונים.
      4. צלב תמונה correlate זוגות אסף (ראו 2.1.1).
        1. אם האחוז של וקטורים טוב עובר את יחס אות לרעש (יחס של הפסגה קורלציה בין השנייה הגבוה ביותר לחצות את המתאם שיא-ראו 2.1.1) אינה בטווח 90% עליון או מעקב ממוצע displacements בתוך windows החקירה? כ 0.25-0.5 של גודל חלון החקירה, חוזר ולוודא יישום נכון של הפעולות בסעיף 1.1 עד שהושגה. ברגע ערכים אלו מושגות, להפסיק את המתקן (תחנת רשת תנודה).
  2. הגדרת מעקב חלקיק מהיר 2D
    1. הצב קו נורית מונוכרומטי.
      1. בחרו ' נורית ה-LED קו כזה כי הוא נדלק החלקיק תחת חקירה (למשל, חלקיקי המשקעים) עם גדול backscattered בעוצמה (גדול ההבדל אינדקס השבירה של החלקיק ביחס הנוזל). זה גם אמור להאיר באופן רציף או בקצב זה ניתן לסנכרן עם המצלמה PT.
      2. מזער את העובי של האור קו אידיאלי להתאים את עובי גיליון אור PIV, אבל לא כדי להיות יותר מ 10 פעמים עבה יותר עובי גיליון אור PIV במטרה לצמצם את כל העמימות עקב out-של-plane חלקיק.
      3. להתאים את רוחב הקו נורית כדי להתאים או להקיף את FOV PIV. הר ה-LED בניצב הגיליון אור שנוצר על ידי הלייזר, כך אין בעיות של עצירות קלה (למשל, PIV אור גיליון מהצד), ה-LED מלמטה. ראה איור 1.
      4. יישר קו נורית כך העובי אור גיליון PIV ממורכזת בתוך העובי אור LED-קו. רק להתאים את המיקום של נורית ה-LED כדי להשיג יישור זה. תנועה של הגיליון אור PIV יידרשו לחזור על השלבים בסעיף 1.1.
    2. מקם ולבצע כיול ראשוני של המצלמה PT במהירות גבוהה.
      1. לצרף העדשה למצלמה PT, תדליק את המצלמה PT במצב חינם/רציף/Live, גס למקד את המצלמה PT. במידת הצורך, התאם PT המצלמה עצירת f כדי לאפשר האור מספיקות להתקבל על ידי חיישן ההדמיה של המצלמה PT; ההגדרה עצירת f עשויים להשתנות כאשר משתמש של החדר אור לבן לעומת תאורה מבוססת LED-. מבחר של העדשה, המרחק בין הקו LED אור המצלמה קובע את הגודל הפיזי של התמונה של המצלמה PT. באופן אידיאלי, המצלמה PT FOV יהיה קטן יותר (או דומה) בגודל של האזור מואר על ידי ה-LED.
      2. להבטיח שהמצלמה במהירות גבוהה הוא בניצב האור קו ולהתאים גס את הגובה כך האזור של עניין בתוך FOV המצלמה PT, כולל של FOV PIV.
      3. רמה את המצלמה PT ביחס בתחתית המתקן זרימה (או לגבי הקרקע בעת הצורך יש המהירויות אנכי מיושר עם תאוצת הכובד). יש חשיבות upmost המצלמה PT להיות בדיוק בניצב למישור מואר על ידי קו אור, אז זה צריך להיבדק ביסודיות.
      4. כבה את המצלמה PT, להדליק את האור קו, ואת מקום מטרה כיול מיושר עם מרכז האור קו ולאחר מכן לבטל את קו אור.
      5. להדליק את המצלמה PT ולמקד את המיקוד שלה על המטרה כיול. להוסיף ולמקד את העדשה ואת המרחק עד הגודל של התמונה מספיקה להתבונן באזור עניין להיות כולל FOV PIV.
      6. לבחור עדשת מרחק כזה המצלמה PT במהירות גבוהה FOV הוא גדול יותר FOV PIV. סידור זה הוא הכרחי על מנת להבטיח כי PIV המצלמה ואת המצלמה PT במהירות גבוהה לא פיזית לחסום אחד את השני.
      7. לארגן את המצלמות PT ו- PIV אנכית (בערימה) או היסט בצד אחד את השני. זה יכול להיות נוח ליישר פינה אחת של PT FOV ו PIV FOV במהירות גבוהה. פיקסלים ברזולוציה של המצלמה נק' יקבע כמה טוב האזור יכולים להיפתר בחלל; לפיכך, להתייחס. הגורם המרה בין יחידות פיזיות לפיקסלים קובעת את המרחק הפיזי מכוסה בפיקסל אחד. החלקיקים צריך לתפוס כ- 3-10 פיקסלים בין תמונות רצופות, ואם זו הדחק הוא גדול מדי (או קטן) מכיוון FOV הוא קטן מדי (או גדול מדי) או מספר הפיקסלים הוא גדול מדי (או קטן מדי) אז חלקיקים עשויים לא תחסיר אידיאלית מספר הפיקסלים בין תמונות (ראה גם 1.2.3.2).
      8. בחר חלקיקים לחקירה.
        1. שימוש חלקיקים עניין הרבה יותר גדול מאשר PIV זריעה המשדרים כדי מספיק להבחין בין החלקיקים ובדוקים את המשדרים PIV. אנו מצליחים עם חלקיקי כ 5 פעמים גדול יותר מאשר המשדרים PIV, תחשיב את זה הגבול התחתון אבל המגבלה יכול לסמוך על מדדי השבירה של חלקיקים, מקורות אור. החלקיק ובדוקים צריך להקיף סביב 4-5 פיקסלים באזור בתמונת המצלמה במהירות גבוהה. לפיכך, גודל החלקיקים ובדוקים יכול לאפשר פחות רזולוציה פיקסל עבור התמונה במהירות גבוהה יותר התמונות PIV.
        2. חזור על צעדים 1.2.2.1-1.2.2.5 לפי הצורך כדי להשיג את שלב זה.
      9. רוכשים תמונה אחת של היעד כיול. לאשר שהמצלמה PT הוא רמה על-ידי הבטחת כי גובה לאורך שורה של היעד כיול הוא עקבי וכי המיקום האופקי לאורך עמודת היעד כיול מתאים. גם לבדוק את גודל סמני כיול בכל פינה של התמונה על מנת להעריך את כמות עיוות התמונה, אשר צריך להיות ממוזער (לא שונות על ידי יותר מ 1 פיקסל).
    3. להגדיר את הפרמטרים המצלמה במהירות גבוהה. הפרמטרים המצלמה במהירות גבוהה להכיל קצב המסגרות של המצלמה PT (במקרה זה גם הגדרת הזמן חשיפה), את רזולוציית המצלמה PT (מסגרת מלאה או binning את הפיקסלים כדי להגביר את קצב המסגרות או להאריך את הזמן רכישה) מספר תמונות אסף.
      1. להגדיר את מספר תמונות כדי להיות שנאספו (קרי, משך הזמן רכישה). מספר תמונות שנאספו משפיע על מספר מסלולים החלקיק הנמדד — ככל הפעם הרכישה, על מסלולים נוספים שניתן למדידה.
      2. הגדר את קצב המסגרות (ואת זמן החשיפה) ואת הרזולוציה של המצלמה PT במהירות גבוהה.
        1. להימנע מלהגדיר את קצב רכישת תמונות במהירות גבוהה זהה או כפולה של קצב המסגרות PIV. הגדר את קצב המסגרות המבוסס על מהירות משוערת של החלקיקים בזרם. החלקיקים צריך תחסיר פיקסלים יותר מ 1 או 2 על מנת למנוע מקרים של חפיפה בתפקידים חלקיקים שתי תמונות רצופות; עם זאת, פער גדול (> 10 פיקסלים) תגרום פחות ביטחון בזיהוי החלקיק אותו בתמונות רצופים, מניב אובדן של חלקיקים מסלול (ראה 2.2.4). התאם את נק' המצלמה רזולוציה וקצב המסגרות כדי להשיג את החלקיקים displacements בטווח הזה (3-10 פיקסלים).
    4. בדוק את הכיוונון המצלמה במהירות גבוהה.
      1. מדליק הנורית קו אור, אחרת להכהות את החדר.
      2. להפעיל את המתקן (התחל נדנוד הרשת).
      3. להציג את החלקיקים לתוך הזרם וללכוד מספר מסגרות לאחר החלקיקים מופיעים FOV של המצלמה במהירות גבוהה. כיסוי מסגרות רצופים ולהעריך אם ניתן להבחין חלקיקים במסגרות רצופים.
        1. בדוק כי המבוא של חלקיקים FOV של המצלמה במהירות גבוהה מתרחשת מספיק רחוק FOV באפקטי כניסה זניחים, כי הצפיפות של החלקיקים היא דלילה מספיק שלא יהיו מופעים בתדירות גבוהה של חפיפה של חלקיקים בתוך תמונה מהיר FOV, וכי חלקיק קשור בעיקר במישור עם תמונה כך החלקיקים ניתנים למעקב לפי העין למצלמה FOV/PT המצלמה תמונת ההיסטוריה.
        2. אם לא ניתן לקבל את התוצאות הללו, ואז חזור על 1.2 עד שהושגה. ברגע מושגת, להפסיק את המתקן (תחנת רשת תנודה).
  3. בשילוב הכיול הסופי
    1. מקם את היעד כיול מצלמה PIV והן נק' FOVs, בתוך הגליונות אור LED והן PIV. המטרה כיול צריך להיות ניתן לצפייה על ידי המצלמה PT במהירות גבוהה והן PIV המצלמה. ודא כי שתי המצלמות בפוקוס. אם לא בפוקוס, אז שלבים 1.1 ו- 1.2 צריך לחזור PIV המצלמה ואת המצלמה במהירות גבוהה, בהתאמה.
    2. ודא שיש לפחות אחד מארק ייחודי היעד כיול הניתנים על ידי המצלמה במהירות גבוהה FOV והן את המצלמה PIV FOV. למדוד, מציינות את המיקום של סימן ייחודי במרחב הפיזי למטרות של רישום המרחבי בין התמונות.
    3. כיילו את המצלמה במהירות גבוהה על-ידי לכידת ושמירת תמונה אחת של היעד כיול של המצלמה PT במהירות גבוהה. כיילו את המצלמה PIV באותה הדרך.
    4. הסר את היעד כיול של הנוזל.
  4. איסוף נתונים
    1. להפעיל את המתקן (נעים רשת) עד שהוא מגיע מצב יציב (~ 20 דקות).
    2. שקבע תנאי תאורה מחשיכה את החדר ואת הפעלת ה-LED אור. להוסיף חלקיקים לתוך הנוזל.
    3. באופן סינכרוני התחל ייבוא תמונות עבור שתי מערכות כאשר החלקיקים הראשון מופיעים למצלמה PT במהירות גבוהה FOV (במצב בשידור חי).
    4. להוריד את התמונות במהירות גבוהה מ- RAM למצלמה PT במהירות גבוהה ולשמור את התמונות שרכשה את המצלמה PIV.
    5. להפסיק את המתקן (לעצור את תנודות רשת).

2. ניתוח תמונות

הערה: ישנם מספר חבילות תוכנה זמין לביצוע ניתוח תמונות PIV והן PT – מסחרי והן freeware. לניתוח PIV, קודי freeware הן OpenPIV (http://www.openpiv.net/) MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). חברות מסחריות גם מוכרים PIV ניתוח תוכנה. לניתוח PT, קודי המעקב חלקיקים רבים קיימות ב- 3D ו- 2D כמו חלקיק Tracker (https://omictools.com/particle-tracker-tool); רשימה מלאה של פלטפורמות תוכנה שונות ניתן למצוא כאן: https://omictools.com/particle-tracking-category או http://tacaswell.github.io/tracking/html/. רוב החבילות ניתוח, למשל, MATLAB, בנה כלים המקלים יחסית ליישום מעקב קוד משלך. לקבלת תוצאות הציג את המחקרOpenPIV, שימשו TSI תובנה, MATLAB מעקב קודים בכתב מותאם אישית.

  1. לנתח PIV תמונות
    1. לחלק לכל תמונה רשת של החקירה חלונות (למשל, 64 x 64 פיקסלים2 עם חפיפה של 50%) שבמהלכן. מהירות זרימה ממוצעת כל חלון מחושב על ידי מתאם בין שני ברציפות PIV תמונות (קרי, זוג תמונה של PIV) כמו דנו בכיוונון PIV, סעיף 1.1.4.2.
      הערה: המרחק בין המתאם שיא בכל חלון במרכז החלון מגדיר העקירה מעקב ממוצע דרך החלון. ברגע מכויל, עקירה זה מחולק בין תמונות PIV רצופים (זוג תמונה PIV - ראה שלב 1.1.4.2) מניב הערכות של שני הרכיבים בתוך המטוס של מהירות כל מיקום4. יחד, זה נקרא כמפה וקטור מהירות. הגודל של חלון חקירה קובע את הרזולוציה של השדה בזרימת המיוצר על ידי הניתוח PIV כמו מחצית המרחק הזה הוא המהירות מחושב וקטור המרווח. המרווח הזה יחד עם הפיקסל פקטור המרה יחידת הפיזי קובע את הרזולוציה של השדה זרימה נמדד. בנוסף, כדי להשיג המספרים הנמוכים של שגוי וקטורים (ראה 2.1.2), מספר מספיק של המשדרים חייבים להיות נוכחים בכל חלון (לפחות 8-10 המשדרים), בטח לא מחליפים יותר כ ¼ עד ½ של גודל החלון.
    2. לסנן את התוצאות של המתאם הצלב כדי להסיר תוצאות כדין מפות וקטור מהירות.
      1. החל מסנן אות לרעש (SNR). הדורשים יחס של 1.5 ומעלה משמשת בדרך כלל (מספר זה עשוי להשתנות בהתבסס על תנאי ניסויי ספציפי).
        1. הגדר SNR, גם היחס בין הראשון והשני הפסגה הגבוהה ביותר המתאם את החלון החקירה או היחס בין המתאם הראשון, ממוצע מעל לחלון חקירה מסוימים. למטב את היחס SNR עבור כל ערכה של ניסויים. המספר של וקטורים נכשל בבדיקה SNR זו לא יעלה על 10%.
      2. לסנן שנותרו מוטעים וקטורים (שלא יעלה על 5% בין שלבים 2.1.2.2 ו- 2.1.2.3) באמצעות מסנן עולמי משווה כל וקטור מהירות בודדים עם מהירות מפה הממוצע פלוס או מינוס שלוש סטיות תקן של בין המהירויות מפה, ומונע המהירויות מחוץ לטווח זה.
      3. לסנן שנותרו וקטורים (שלא יעלה על 5% בין שלבים 2.1.2.2 ו- 2.1.2.3) באמצעות מסנן המקומית משווה כל וקטור מהירות בודדים עם מהירות החציוני של שכונה של סביב מהירות המומנט, בדרך כלל 5 x 5 בגודל של שגוי.
        הערה: השימוש חציון וקביעת גודל השכונה עשויים להשתנות בהתאם לתנאי הניסוי ספציפיים.
    3. החלף וקטורים מוטעים אשר נמצא בשלב 2.1.2 וקטורים עם אינטרפולציה (או החציון השכונה) באמצעות מידע הווקטורים השכונה שמסביב, בדרך כלל בגודל 5 x 5.
    4. לקבוע את יחס ההמרה מרחק-כדי פיקסל. בדוק כמה פיקסלים לתרגם למרחק ספציפי באמצעות המרחק בין סמנים היעד כיול תמונה בשלב 1.3.3.
    5. כיילו וקטורים. להמיר את הווקטורים ב 2.1.1-2.1.3 צעדים כדי יחידות פיזיות באמצעות זה פקטור המרה משלב 2.1.4 ואת פרק הזמן בין זוגות תמונה שהגדרת בשלב 1.1.4.2; המרת את displacements בפיקסלים המהירויות ביחידות פיזיות.
  2. לנתח את התמונות במהירות גבוהה
    1. הסר כל מסגרות סדרת הזמן תמונה מהיר שבו הלייזר PIV היה מאיר את הזרימה.
      1. לסכם את ערכי העוצמה של כל אחת מהמסגרות רכשה. המסגרות שבו הראה את הלייזר PIV יש עוצמת מסוכם כי הוא הרבה יותר גדול מאשר ללא הלייזר PIV פעיל בתמונה. בהתבסס על סף על עוצמת מסוכם, להסיר תמונות מתוך הסדרה זמן שיש עוצמת מסוכם מסף. עיין בסעיף 1.2.3.2 להדרכה למזער את כמות מסגרות שעבורו זו מתרחשת.
    2. להמיר תמונות בגווני אפור הנותרים תמונות בינאריות באמצעות סף. במקרה זה, אנו משתמשים בשיטה של אוטסו כדי לקבוע את סף ממירה את החלקיקים על רקע שחור ולבן.
    3. לבצע ניתוח בועה עבור כל תמונה.
      1. לזהות אזורים של קישוריות בתמונה בשחור לבן - ןלהל אובייקטים. בדרך כלל, נעשה שימוש של קישוריות של 8 פיקסלים.
      2. והסר אובייקטים שנמצאים הרבה יותר קטן באזור (קרי, מספר הפיקסלים אובייקט צורכת בתמונה) יותר גודל החלקיקים טיפוסי הפיקסלים בתמונה, בדרך כלל סביב 3 פיקסלים.
    4. לחשב חלקיקים.
      1. לזהות את centroid של כל האובייקטים (שנותרו) בתמונה הראשונה.
      2. עבור כל אובייקט אותר, חפש את התמונה הבאים עבור אותו אובייקט על-ידי חיפוש באזור ליד centroid בתמונה הקודמת. אם רק חלקיק/אובייקט אחד בתוך חלון החיפוש נמצא, ואז ממשיכים את המסלול, ולהקליט את המיקום של centroid ובדמות; אחרת, לסיים את המסלול.
        הערה: גדול מדי של חיפוש באזור יכול לגרום זיהוי שגוי של החלקיק בתמונה העוקבים אז שטח החיפוש צריך להיות כמו מוגבל ככל האפשר מבלי לגרום הטיית תוצאות. אם מיקום האובייקט במסגרת עוקבות הנמצא לעתים קרובות הטווח המרבי של חלון ' חיפוש ', ואז בחלון ' חיפוש ' אינו גדול מספיק.
      3. חזור על שלב 2.2.4.2 עד כבר לא ניתן למצוא את האובייקט בתמונה עוקבות. כאשר מצב זה מתרחש, המסלול נחשב הסתיים.
        הערה: אם רוב החלקיקים עוקבת אחרי הם באופן עקבי קצר (למשל, פחות מ- 5 מסגרות), ולאחר מכן תוצאה זו יכול מציינים כי יש תנועה תלת מימד משמעותי כי שיטה זו אינה מתאימה. כלל אצבע, רצועות חלקיק צריך להיות לפחות ¼ של החלקיק מעקב FOV14; אך הצורך של אורכי מסלול מסוים יכול להשתנות עם יישום.
      4. חזור על צעדים 2.2.4.1-2.2.4.3 מתחיל עם המסגרת השניה עבור כל האובייקטים לא כבר במעקב מהמסגרת 1. חזור על תהליך זה עבור כל המסגרות ההתחלה אפשרית. התוצאה תהיה ספרייה של חלקיקים מסלולים לאורך כל הניסוי.

3. ניתוח

  1. לחשב במהירויות החלקיקים והאצות מן העמדה מסלולים המתקבל את התמונות במהירות גבוהה המשמש את נק'.
    1. להבדיל חלקיקים שעברו קומפילציה ב 2.2 בזמן (בהתבסס על ערכת קצב המסגרת בשלב 1.2.3.2) לחישוב המהירויות לכל כיוון. בידול זה זמן תוצאות הערכות של לגראנז'יאן מהירות החלקיקים הפיקסלים ליחידת זמן.
      הערה: שלב זה רק צריך להתבצע אם מהירות מידע של חלקיקי רצוי.
    2. כיילו את המהירויות על-ידי המרת בין המהירויות של פיקסלים ליחידת זמן להרחיק ליחידת זמן. הגורם ההמרה (מרחק לפיקסל) ניתן להשיג על-ידי בדיקת המרחק בין סמנים היעד כיול תמונה בשלב 1.3.3.
  2. לבצע פירוק ריינולדס במפות וקטוריות PIV לחישוב כמויות הסוערים.
    1. חשב את הממוצע אנסמבל מעל כל PIV מהירות מפות וקטור שנאסף בכל מקום במפות וקטוריות PIV המתקבל שלב 2.1.
    2. לבצע פירוק ריינולדס על-ידי חיסור ערכים אלה אומר ב 3.2.1 מ בין המהירויות מיידי בכל מפה כדי לקבל סדרת הזמן של תנודות מהירות הסוערים.
    3. לחשב נתונים סטטיסטיים מעניינים, למשל, מהירות הסוערים שורש ממוצע-מרובע (RMS). לחלופין, אפשר לבחון תנודות הסוערים במיקומים המדויקים של חלקיקים בתוך מסלולים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

שרטוט של ההתקנה ניסיוני מוצג באיור1. האיור מציג את הסידור של גליונות אור (LED ו לייזר), החפיפה את FOVs, ואת המיקום של FOVs ביחס רשת נדנוד וקירות טנק. מערבולת של חלקיקים נמדדים בו-זמנית כמתואר בסעיף פרוטוקול. איור 2 מציג דוגמה תוצאות המדידות של מהירות מיידי ערבוליות יחד עם מסלולי חלקיקים לדוגמה. התוצאות של הניתוח PIV מוערכים בהתבסס על מחשוב של RMS של תנודות הסוערים. עבור כך רשת נדנוד, לגודל הממוצע המרחבי של התנודות מהירות RMS מעל ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

השיטה המתוארת במסמך זה זולה יחסית, והוא מספק דרך פשוטה למדוד בו זמנית חלקיקים ו מערבולת כדי לבחון את ההשפעה של זרימה על חלקיק קינמטיקה. ראוי להזכיר כי זורם או תנועות חלקיקים הן בתוקף תלת-אינם מתאים היטב בטכניקה זו. Out-של-plane. ההצעה יגרום לשגיאות17 דו-ממדי מעקב וניתוח PIV, צריך להיות ממוזער. בנוסף, השיטה דורשת ריכוז החלקיקים מסומנים יהיה נמוך יחסית (גודל של חלקיקים לכל תמונה PT עשרות). הגבלה זו חשובה על מנת למקסם את הביטחון כי החלקיק באותו נמצאת במעקב תמונות רצופות. אם רבים מדי חלקיקים קיימים בו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים אין לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חלקים של עבודה זו היו נתמך על ידי קרן II-VI ו המענק החוף של שיפור מקצועי קרוליינה. אנחנו גם רוצים להכיר קורין ג'ייקובס, מארק Jendrassak, ויליאם הסוחר בשביל לעזור עם הארגון ניסיוני.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
עדשות אופטיותאופטיקה לייזר CVIY2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UVחברות אופטיקה אחרות מקובלות. עדשות כדוריות ומחזוריות ליצירת יריעת אור PIV.
עדשת מצלמה עבור PIVNikonNikkor 105 מ"מ f/2Dחברות עדשות מצלמה אחרות מקובלות. עדשת מצלמה להדמיית PIV.
עדשת מצלמהלניקוןניקור 50 מ"מ f/1.8Dגבוהה חברות עדשות מצלמה אחרות מקובלות. עדשת מצלמה להדמיה במהירות גבוהה.
לייזר פועם כפול ראשQuantel EverGreen: 532 ננומטר, 70mJ@15Hzחברות לייזר אחרות מקובלות. לייזר דופק כפול ראש עבור PIV: Nd:YAG
LED קו אורGardasoft Vision, Ltd.תאורת קו LED VLX2 - ירוק - דגם VLX2-VLX2-250-LWD-G-T04חברות אחרות מקובלות. תאורת קו ל-LED.
חלקיקי זריעה / עוקבים PIVPotters Industries כדוריזכוכית חלולים כדוריים: קוטר ממוצע של 11 מ"מחברות אחרות מקובלות. חלקיקי זריעה של PIV
CCD מצלמת מתאם צולבTSI, Inc.POWERVIEW 11M: CCD, חשיפה כפולה, 4008x2672 פיקסלים @ 4.2 הרץ עם טווח דינמי של 12 סיביותחברות אחרות מקובלות. מצלמת CCD בחשיפה כפולה להדמיית PIV.
מצלמה מהירהPhotronFASTCAM SA3; דגם 60K: 1024x1024 פיקסלים @ 1kHzחברות אחרות מקובלות. מצלמת CMOS להדמיה במהירות גבוהה.
סנכרוןTSI, בע"ממסנכרן דופק לייזר 610036חברות אחרות מקובלות. סנכרן את רכישת מצלמת ה-PIV והלייזר.
יעד כיולTSI, Inc.חברות אחרות מקובלות. יעד מדויק לכיול תמונה.
במהירות

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Maxey, M. R. The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields. Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).
  2. Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 759, R3(2014).
  3. Ha, H. K., Maa, J. P. Y. Effects of suspended sediment concentration and turbulence on settling velocity of cohesive sediment. Geosciences Journal. 14 (2), 163-171 (2010).
  4. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (2007).
  5. Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. 76, e50559(2013).
  6. Yang, T. S., Shy, S. S. The settling velocity of heavy particles in an aqueous near-isotropic turbulence. Physics of Fluids. 15 (4), 868-880 (2003).
  7. Jacobs, C. N., Merchant, W., Jendrassak, M., Limpasuvan, V., Gurka, R., Hackett, E. E. Flow scales of influence on the settling velocities of particles with varying characteristics. PLoS One. 11 (8), 0159645(2016).
  8. Murray, S. P. Settling velocities and vertical diffusion of particles in turbulent water. Journal of Geophysical Research. 75 (9), 1647-1654 (1970).
  9. Nielsen, P. Turbulence effects on the settling of suspended particles. Journal of Sedimentary Research. 63 (5), 835-838 (1993).
  10. Kawanisi, K., Shiozaki, R. Turbulent effects on the settling velocity of suspended sediment. Journal of Hydraulic Engineering. 134 (2), 261-266 (2008).
  11. Maxey, M. R., Corrsin, S. Gravitational settling of aerosol particles in randomly oriented cellular flow fields. Journal of the Atmospheric Sciences. 43, 1112-1134 (1986).
  12. Melling, A. Tracer particles and seeding for particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1406-1416 (1997).
  13. Hadad, T., Gurka, R. Effects of particle size, concentration and surface coating on turbulent flow properties obtained using PIV/PTV. Experimental Thermal and Fluid Science. 45, 203-212 (2013).
  14. Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
  15. Shy, S. S., Tang, C. Y., Fann, S. Y. A nearly isotropic turbulence generated by a pair of vibrating grids. Experimental Thermal and Fluid Science. 14 (3), 251-262 (1997).
  16. Dietrich, W. E. Settling velocity of natural particles. Water Resources Research. 18 (6), 1615-1626 (1982).
  17. Huang, H., Dabiri, D., Gharib, M. On errors of digital particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427(1997).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

LEDPIV

מאמרים קשורים