Name: שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 34 s
Description: למד שיטות חישוביות למדידת התמצאות חלקיקים אניזוטרופיים בתנועה טורבולנטית באמצעות הדפסה תלת-ממדית ואלגוריתמי איתור כיוון. שיטה זו מאפשרת מדידות מדויקות של סיבוב ויישור חלקיקים בזרימות מורכבות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

אנו מודים Susantha Wijesinghe אשר תוכנן ונבנה מערכת דחיסת תמונה אנו משתמשים. אנו מכירים תמיכה מן DMR-1208990 להעניק NSF.

<ol><li>Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+the+Solid-body+Rotation+of+Anisotropic+Particles+in+3D+Turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22New+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence.</a> New J. Phys. 16, 102001(2014).</li>
<li>Bretherton, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+motion+of+rigid+particles+in+a+shear+flow+at+low+Reynolds+number%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number.</a> J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).</li>
<li>Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+study+of+three-dimensional+Lagrangian+particle+tracking+algorithms%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms.</a> Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).</li>
<li>Open Source Particle Tracking Velocimetry. , Open PTV Consortium. Available from:
 <a target="_blank" href="www.openptv.net">www.openptv.net</a> (2014).</li>
<li>Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotation+Rate+of+Rods+in+Turbulent+Fluid%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501(2012).</li>
<li>Parsa, S., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inertial+Range+Scaling+in+Rotations+of+Long+Rods+in+Turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence.</a> Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501(2014).</li>
<li>Tsai, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+versatile+camera+calibration+technique+for+high-accuracy+3d+machine+vision+metrology+using+off-the-shelf+tv+cameras+and+lenses%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Robotics+and+Automation%22%5BJournal%5D)">A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses.</a> IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).</li>
<li>Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+nonuniversal+large+scales+on+conditional+structure+functions+in+turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence.</a> Phys. Fluids. 22 (1), 015107(2010).</li>
<li>Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+of+relative%2C+turbulent+diffusion%5BTitle%5D)+AND+%22RISO+Internal+Report%22%5BJournal%5D)">Experimental study of relative, turbulent diffusion.</a> RISO Internal Report. , R-1036 (1999).</li>
<li>Chan, K., Stich, D., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+image+compression+for+high-speed+particle+tracking%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Real-time image compression for high-speed particle tracking.</a> Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704(2007).</li>
<li>Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGoldstein%2C+H+%22Classical+Mechanics%2C+3rd+Edition%22">Classical Mechanics, 3rd Edition</a>. , Addison-Wesley Publishing Company. 134-180 (2002).</li>
<li>Parsa, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Rotational+dynamics+of+rod+particles+in+fluid+flows%22">Rotational dynamics of rod particles in fluid flows</a>. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2013).</li>
<li>Wijesinghe, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Measurement+of+the+effects+of+large+scale+anisotropy+on+the+small+scales+of+turbulence%22">Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence</a>. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2012).</li>
<li>Wallace, J., Foss, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Measurement+of+Vorticity+in+Turbulent+Flows%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).</li>
<li>Su, L., Dahm, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalar+imaging+velocimetry+measurements+of+the+velocity+gradient+tensor+field+in+turbulent+flows.+I.+Assessment+of+errors%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors.</a> Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).</li>
<li>Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lagrangian+measurement+of+vorticity+dynamics+in+turbulent+flow%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow.</a> J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).</li>
<li>Frish, M., Webb, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+measurement+of+vorticity+by+optical+probe%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Direct measurement of vorticity by optical probe.</a> J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).</li>
<li>Zimmerman, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tracking+the+dynamics+of+translation+and+absolute+orientation+of+a+sphere+in+a+turbulent+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906(2011).</li>
<li>Zimmerman, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotational+Intermittency+and+Turbulence+Induced+Lift+Experienced+by+Large+Particles+in+a+Turbulent+Flow%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501(2011).</li>
<li>Klein, S., Gibert, M. athieu, Bérut, A., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+3D+measurement+of+the+translation+and+rotation+of+finite-size+particles+and+the+flow+field+in+a+fully+developed+turbulent+water+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Meas.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow.</a> Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).</li>
<li>Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+effects+on+turbulent+modulation+by+large+nearly+neutrally+buoyant+particles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles.</a> J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).</li>
</ol>

אין המחברים אינטרסים כלכליים מתחרים לחשוף.

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...

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.

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

שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3d מודפסות חלקיקי turbulence

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

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.

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...

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.

שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

המטרה הכוללת של ניסוי זה היא להשתמש במדפסת תלת-ממד כדי לייצר חלקיקים במגוון רחב של צורות ולמדוד את תנועתם בזרימה טורבולנטית. שיטה זו יכולה לסייע במענה על שאלות מפתח בדינמיקה של נוזלים, כגון האופן שבו חלקיקים מסתובבים ומתיישרים בזרימות נוזלים טורבולנטיות. יתרונה העיקרי הוא שהיא מאפשרת מדידות מדויקות של אוריינטציית חלקיקים בעלי צורות מורכבות ברזולוציה זמןית, דבר שלא היה ניתן להשיג בשיטות קודמות.שיטה זו סיפקה תובנות לגבי תנועת דיסקים וכדורים בטורבולנציה, וניתן להשתמש בה למדידת דינמיקה של חלקיקים בעלי צורות מורכבות במצבים רבים אחרים. באופן כללי, אנשים שאינם מכירים את השיטה יתקשרו עם כיול מצלמה תלת-ממדית והתאמת אלגוריתם מציאת האוריינטציה לחלקיקים ספציפיים שבהם נעשה שימוש. בסיוע להדגמת הפרוצדורה ישתתף Guy Marcus, שביצע את הניסויים המקוריים עם צלבים וג'קים.התחילו בשימוש בתוכנה לתכנון בעזרת מחשב (CAD) כדי ליצור מודלים של חלקיקים להדפסה. כדי ליצור טריאדה באמצעות AutoCAD, השתמשו תחילה בפקודת המעגל (circle) כדי לצייר מעגל בקוטר של 0.3 מילימטרים. לאחר מכן, השתמשו בפקודת הבליצה (extrude) כדי ליצור גליל באורך של שלושה מילימטרים.גלילים בגודל זה הם אבני הבניין של החלקיקים. כעת השתמש בפקודת הסיבוב ובחר בציר הסיבוב לאורך ציר X, ובזווית הסיבוב להיות 90 מעלות. התאם את התצוגה כדי לפנות מקום לעבודה עם גלילים אחרים.בשלב הבא, צרו עותק של הגליל שישמש כזרוע השנייה של השלישייה. בקצה גליל זה, השתמשו בפקודת rotate 3D כאשר ציר הסיבוב הוא ציר Z. סובבו את הגליל ב-120 מעלות עבור השלישייה.העבירו את הגליל שסובב למקומו כדי להוות זרוע של השלישייה. מרכזי קצות הגליל צריכים לחלופ. הכינו ומקמו את הזרוע השלישית באותו אופן.לאחר מכן, סובבו את האובייקט כך ששום גליל לא יפנה לאורך הציר האנכי או האופקי. כאשר כל הזרועות במקומן, בחרו את כולן והשתמשו בפקודת union כדי לאחד אותן לאובייקט אחד. שמרו את הקובץ בפורמט המיועד להדפסה בתלת-ממד.צרו את החלקיקים הנוספים שישמשו בניסוי על ידי ביצוע שלבים דומים. בנוסף לשלישייה (triad), קיימים הצלב המורכב משני גלילים מאונכים בעלי מרכז משותף, ה-jack המורכב משלושה גלילים מאונכים זה לזה בעלי מרכז משותף, והרביעייה (tetrad) שבה הגלילים חולקים קצה משותף ונמצאים בזוויות של 109.5 מעלות זה Relatively לזה. הדפיסו כ-10,000 מכל סוג חלקיק במצב רזולוציה גבוהה.הכינו אחסון עבור החלקיקים המודפסים בתמיסה שבה הם בעלי ציפה ניטרלית. לשם כך, השתמשו בתמיסה של calcium chloride, ובערך 1,600 ליטרים של מים בצפיפות של ציפה ניטרלית. הסירו כליטר אחד מהתמיסה כדי לאחסן כל סוג של חלקיק.העבירו את הליטר של התמיסה לספסול המעבדה והתחילו בעבודה עם החלקיקים. החלקיקים שנעשה בהם שימוש בניסוי זה הודפסו באופן מסחרי. הם מגיעים עטופים בשרף המשמש כחומר תמיכה.שחררו את החלקיקים על ידי שבירה עדינה של החלקים הגדולים למקטעים קטנים. עבדו עם כל מקטע ועסו אותו ידנית עד שחלק ניכר מהשרף העודף יסור. דבר זה יקל על השלבים הבאים.על מנת לנקות את החלקיקים באופן יסודי יותר, הכין ביכור עם תמיסת נתרן הידרוקסיד בריכוז של 10% לפי מסה. לאחר מכן, הנח בכור מספר חלקיקים ואת שאריות מעטפת השרף שלהם כדי להסיר את השרף. העבר את הביכור עם התמיסה למכשיר אולטרסוני (ultrasonic bath).השאירו את החלקיקים באמבט האולטרסוני למשך שעה אחת בתחילה, ולאחר מכן למשך חצי שעה נוספת לאחר השטיפה. לשם השבת החלקיקים, הכינו כוס כימית שנייה לקבלת תמיסת נתרשן הידרוקסיד מהאמבט ומסנן. לאחר השלמת שלבי הניקוי האולטרסוני, השתמשו בכפפות כדי להוציא את הכוס מהאמבט, ושפכו את התוכן דרך המסנן אל תוך הכוס השנייה.שטפו את החלקיקים לפני העברתם לתמיסה בעלת צפיפות תואמת, שבה הם יוטבלו כדי למנוע עיוות. אלו הם חלקיקים ששוחררו מהשרף שלהם, נוקו באמבט אולטרה-סוני ומוכנים כעת לצביעה כדי שיהsירו פלואורסצנציה תחת אור לייזר ירוק. כדי לצבוע את החלקיקים, השתמשו בליטר אחד של תמיסת צבע Rhodamine-B במים והניחו אותה על פלטה מחוממת.חממו את הצבע ל-80 °C עבור החומר של חלקיק זה. מלאו באופן רפוי מכל קטן בחלקיקים מהאחסון. יהיו אלו כ-2,500 חלקיקים.הוסיפו את החלקיקים לתמיסת הצבע, ושמרו על הטמפרטורה בזמן שהם טבולים בה. לאחר כשעתיים או שלוש, הסירו את התמיסה והחלקיקים מהחימום. השתמשו ברשת ובמיכל נפרד כדי לסנן את החלקיקים מהתמיסה.היזהרו לא לפגוע בהם בעודם רכים כתוצאה מהחום. לאחר מכן, שטפו את החלקיקים בזהירות כדי להסיר שאריות צבע. בסיום, אחסנו אותם בתמיסת ציפה ניטרלית עד למועד השימוש בהם בניסוי.הניסוי יתבצע במיכל עם מצלמות הממוקמות להקלטת החלקיקים במרכז הזרימה. סכימה זו מספקת סקירה כללית של מבנה המיכל, בעל חתך octagon, רשתות תנודתיות המשמשות ליצירת זרימה טורבולנטית, נפח המדידה ומיקומי המצלמות. השתמשו בארבע מצלמות לפחות כדי להבטיח דיוק במדידת האוריינטציה.כל מצלמה צריכה להיות בעלת רזולוציה של לפחות מגה-פיקסל אחד ב-450 frames per second, ולהיות מחוברת למחשב ייעודי. מקמו את המצלמות בזוויות רחבות זו מזו, וודאו שכולן ממוקדות בנפח המדידה הרצוי. כדי למזער עיוותים אופטיים, במיכל מובנים פתחי תצפית המאונכים לכיוון הצפייה של המצלמה.בשלב הבא, מקמו מסכת כיול תמונה בנפח המדידה של המיכל. הדבר יאפשר את ניתוח הנתונים הניסיוניים שנאספו על ידי המצלמות. כדי לדמות את התנאים הניסיוניים, התחילו למלא את המיכל בתמיסת ציפה ניטרלית בנפח גדול.כאשר המכל מלא, הגדירו תאורה להארת המסכה. לאחר מכן, חזרו לעבוד עם המצלמות. התמקדו בכל מצלמה באותה נקודה על המסכה, ולאחר מכן רכשו ושמרו תמונות לצורך כיול.לאחר ריקון המכל, המשיכו בהכנת הניסוי על ידי הצבת לייזר neodymium yttrium aluminium garnet. סדרו מפחלי קרן (beam splitter) כך שיפנו חלק מקרן הלייזר לעבר מראה. האור עובר מהמראה דרך עדשות היוצרות קרן גלילית אל תוך המכל.בצדו השני של המיכל, הניחו מראה שתשקף את אור הלייזר היוצא חזרה לאורך נתיבו. השתמשו במוצא השני של מפליט האלומה ובסידור דומה של מראות ועדשות כדי ליצור אלומה גלילית המאונכת לאלומה הראשונה, כפי שמוצג בסכימה זו של מבט מלמעלה. המראות שבהן יוצאות האלומות מסייעות ביצירת תאורה אחידה יותר.לאחר מכן, בחנו את המיכל הממולא בתמיסת calcium chloride בעלת ציפה ניטרלית מניקויי גזים. לפני ההמשך, ודאו שהמצלמות ותוכנת רכישת הנתונים מוכנות. הכינו להוסיף למיכל את כ-10,000 הטטרדות שהוכנו עבור ניסוי זה.העבירו אותם למיקום סמוך לפתח בחלק העליון של המיכל. כשיהיו מוכנים, פתחו את הפתח והוסיפו את החלקיקים למים במיכל. סגרו את הפתח לאחר שכל החלקיקים הוספו.כעת, עברו אל הלייזר. שם, הדליקו אותו ופתחו את מפתח הלייזר. לאחר מכן, השתמשו בבקרי הגריד כדי להתחיל להתנד את הגריד בתדר של שלושה hertz.בתוך המכל, הניחו לסריג להתנודד למשך כדקה אחת כדי לאפשר התפתחות מלאה של טורבולנציה. בנקודה זו, התחילו ברכישת נתונים והקליטו כמיליון פריימים. עם סיום ההרצה, הפסיקו את איסוף הנתונים וסגרו את מפתח הלייזר.לאחר ביצוע כל הניסויים, עברו אל מוצא המיכל. שם, מקמו מסנן להסרת החלקיקים מהתמיסה, ורוקנו את המיכל. שמרו את החלקיקים שנאספו בתמיסת ציפה ניטרלית לשימוש מאוחר יותר.בצעו ניתוח נתונים של התמונות שהוקלטו באמצעות תוכנה כדי למצוא את מיקום החלקיק ואת כיוונו. השלבים הבאים מיושמים בתוכנה. החל מארבע תמונות סינכרוניות של חלקיק שנתפס על ידי ארבע המצלמות, השתמשו במידע דו-ממדי כדי לקבוע את מיקומו התלת-ממדי.הקרינו מודל נומרי תלת-ממדי של החלקיק המואר על כל מצלמה באמצעות פרמטרי כיול המצלמה. פעולה זו יוצרת מודל דו-ממדי של עוצמת האור מהחלקיק בכל ארבע המצלמות. לאחר מכן, הריצו שגרת התאמה של ריבועי מינימום לא-ליניארית כדי למצוא את אוריינטציית המודל המתאימה ביותר למה שנראה בכל ארבע המצלמות.שלבו מידע מכל ארבעת המצלמות כדי למזער את ההפרש בין המודל המוקרן על כל מצלמה לבין החלקיק שנצפה. שלבים אלו יבוצעו עבור כל הפריימים שבהם חלקיקים נמצאים בטווח הראייה של כל המצלמות. זוהי התפתחות של טטראדה במיקום ובאוריינטציה.שימו לב לשינוי הבלתי רציף בכיוון זרועות הטטראד (tetrad), דבר שעשוי להתרחש כאשר אין מנגנוני הגנה. גרסה שנייה זו של התפתחות הטטראד מראה כי התוכנה מבטיחה שזוויות אוילר (Euler angles) עבור כל פריים יהיו הסיבוב הקטן ביותר ביחס לפריים הקודם. מידע על המיקום והכיוון נשמר לשימוש מאוחר יותר.זוהי תמונה אחת ממצלמה של טטרהדרה (tetrad) בניסוי. בתמונה השנייה, המודל המולבש מצביע על האוריינטציה כפי שנמצאה על ידי האלגוריתם. למרות הפשטות של מודל העוצמה הדו-ממדי, השיטה מפיקה מדידות מדויקות של אוריינטציית החלקיקים.בניסוי, נעשה שימוש באלגוריתם למציאת אוריינטציה כדי להפיק את התפתחות זוויות אוילר לאורך כל המסלול של כל חלקיק. זוהי שחזור של המסלול המלא של טטרד (tetrad) בתוך נפח התצפית. הדבר מושג על ידי שילוב האוריינטציה והקוורדינאטות התלת-ממדיות של החלקיק עבור כל פריים שבו הוא נראה על ידי כל ארבע המצלמות.אורך המסלול הוא 229 פריימים. שימו לב כי החלקיק אינו מצויר לפי קנה מידה. הנתונים מאפשרים גם לקבוע את פונקציית צפיפות ההסתברות של קצב התהפכות (tumbling rate) שנמדד.הריבועים האדומים הם נתונים עבור צלבים. העיגולים הכחולים הם נתונים עבור ג'קים. הקו הרצוף מייצג את תוצאת הסימולציה המספרית של כדורים, התואמת היטב את הנתונים הניסיוניים.לאחר השליטה בטכניקה, ניתן לבצע אותה בתוך שלושה ימים אם היא מבוצעת כראוי. במהלך ביצוע הprocedure, חשוב לאפשר לחלקיקים להישאר מספר שעות בתוך התמיסות בעלות הצפיפויות השונות. כמו כן, חיוני לוודא שהמצלמות מכווננות כראוי, מקובעות ומסונכרנות לאורך כל משך הניסוי.בעקבות הליך זה, ניתן להשתמש בשיטות אחרות, כגון מעקב אחר חלקיקי סמן, כדי למדוד כיצד חלקיקים שהודפסו בתלת-ממד מגיבים לטנזור הגרדיאנט המלא של המהירות בזרימה שסביבם. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן להשתמש בחלקיקים אניזוטרופיים כדי להפיק מידע על טנזור הגרדיאנט של המהירות מזרימה טורבולנטית באמצעות ארבע תמונות וידאו סטריאוסקופיות. זכרו כי עבודה עם צבע Rhodamine-B ועם נתרן הידרוקסיד עלולה להיות מסוכנת, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון שימוש בכפפות ובמשקפי מגן, בעת ביצוע הליך זה.

methods-for-measuring-orientation-rotation-rate-3d-printed-particles

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

Velocimetry מעקב חלקיקים תלת ממדי (3D-PTV) מערכת המבוססת על מצלמה במהירות גבוהה עם מפצל ארבעה-נוף מתוארת כאן. הטכניקה מוחלת על זרימת סילון מצינור עגול בקרבת עשר בקטרים ​​במורד בבית מספר ריינולדס Re 7,000 ≈.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

שתי שיטות שונות עבור אפיון של חלקיק התחלתית של חרוז אחד כפונקציה של הגיאומטריה מיטה משקעים מן למינריות לזרימה מערבולות מוצגים.

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

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.

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

פרוטוקול זה מדגים את היכולת להשתמש בהדפסת הזרקת דיו תגובתית כדי להדפיס מיקרו-שטירים עצמאיים וידידותיים לסביבה ידידותי לשימוש ביישומים רפואיים וסביבתיים.

הדפסת הזרקת דיו וניתוח הנעה של משי מבוסס עצמית הנעה מיקרו-שטירים

פרוטוקול זה מציג שיטה לניתוח הפליטה של עטי הדפסה בתלת-ממד. ריכוז החלקיקים וחלוקת גודל החלקיקים של החלקיקים שפורסמו נמדדים. חלקיקים משוחררים מנותחים עוד יותר עם מיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM). תכולת מתכת בנינים מכמתת ספקטרומטריה מסת פלזמה בשילוב השראתי (ICP-MS).

הדפסה בתלת-ממד - הערכת פליטות חלקיקים של עט הדפסה בתלת-ממד

השתמשנו פלזמה משופרת שיקוע כימי להפקיד שכבות דקות החל ננומטר ל -100 ננומטר כמה כמה על חלקיקים בגודל ננו של חומרים שונים. אנחנו לחרוט לאחר מכן את חומר הליבה לייצר nanoshells חלולים אשר חדירות נשלטת על ידי עובי הקליפה. אנחנו מאפיינים את החדירות של ציפויים אלו כדי מומסים קטנים להוכיח כי מחסומים אלה יכולים לספק שחרור מתמשך של חומר הליבה על פני כמה ימים.

אנקפסולציה וחדירות מאפיינים של חלקיקים פלזמה polymerized הולו

מאמר זה מדגים את ההליך הניסיוני למדידת מהירויות יישוב סופניות של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים דלילים על בסיס פעילי שטח. נוזלים על פני מגוון רחב של תכונות ראולוגיות מוכנים ומהירויות יישוב נמדדים עבור מגוון של גדלי חלקיקים בנוזלים ונוזלים ללא גבולות בין קירות מקבילים.

מדידה ניסיונית של מהירות יישוב של חלקיקים כדוריים בנוזלים ויסקואלסטיים לא מכופתרים ומרותקים על בסיס חומרים פעילי שטח

התקנים Acoustofluidic שימוש בגלי אולטראסאונד בתוך ערוצי microfluidic לתמרן, להתרכז ולבודד מיקרו מושעה וגופים הננוסקופי. פרוטוקול זה מתאר את הייצור ותפעול של מכשיר כזה התומך גלים עומדים אקוסטי בתפזורת להתמקד חלקיקים לייעל מרכזי ללא סיוע של נוזלי נדן.

ייצור והפעלה של Acoustofluidic התקנים התומכים גלים אקוסטיים המתמדת בכמות גדולה עבור Sheathless התמקדות של חלקיקים

סורק הדמית חלקיקים מגנטיים בדגימות מישוריים פותח באמצעות תדר מישוריים ערבוב טכניקת זיהוי מגנטי. תגובת מוצר intermodulation המגנטית מן המגנטיזציה הקוי nonhysteretic של החלקיקים נרשמה עם עירור שתי בתדירות. ניתן להשתמש בו כדי לצלם תמונות 2D של דגימות ביולוגיות דקות.

תדירות ערבוב סורק זיהוי מגנטי הדמית חלקיקים מגנטיים בדגימות מישורים

מאמר זה מציג מנגנון מבוסס-עכבה לגילוי שיעור האידוי של פתרונות. הוא מציע יתרונות ברורים על פני גישת הרזיה קונבנציונלית: תגובה מהירה, איתור רגישות גבוהה, דרישת מדגם קטנה, מדידות מדגם מרובות, ופירוק קל למטרות ניקוי והשימוש חוזרים.

בעל ביצועים גבוהים פלטפורמת עכבה מבוססת איתור דרג אידוי

למד שיטות חישוביות למדידת התמצאות חלקיקים אניזוטרופיים בתנועה טורבולנטית באמצעות הדפסה תלת-ממדית ואלגוריתמי איתור כיוון. שיטה זו מאפשרת מדידות מדויקות של סיבוב ויישור חלקיקים בזרימות מורכבות.

שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence

גלה סרטונים נוספים