מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה
12 במרץ 2019
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.
תחומים רבים הן בהנדסה והן במדעי הטבע כרוכים בבעיות הקשורות לאינטראקציה של חלקיקי נוזלים. שיטה זו מספקת מדידה אופטית סימולטנית זולה יחסית, לא פולשנית, הן של מסלולי החלקיקים והן של מהירות הזרימה. כאן אנו מודדים את מהירות ההתיישבות של חלקיקי משקע בזרימה סוערת, ומאפשרים אפיון מפורט של מסלולי החלקיקים ובו זמנית מודדים מהירות סוערת באותו מיקום.
כדי להתחיל את הגדרת מהירות תמונת החלקיק, לתקן ראש כפול בעוצמה גבוהה פולס לייזר ברמה אופקית על לוח אופטי, בקנה אחד עם מתקן הזרימה. מניחים עדשה גלילית בקו אחד עם הלייזר כדי לייצר מישור דו מימדי של אור שיהיה מתחת לרשת מתנודדת. לאחר מכן הר עדשה כדורית לאחר העדשה הגלילית במרחק שיפיק יריעת אור בעובי של 5 עד מילימטר אחד.
לאחר מכן, מקם מצלמת CCD עם חשיפה כפולה בניצב לגיליון האור כדי להקליט תמונות עבור PIV. חבר עדשה למצלמה, הפעל אותה והגדר אותה למצב חופשי ורציף. מקד גס את מצלמת ה-PIV במתקן הזרימה הסוער.
כוונן את הצמצם ואת מיקום המצלמה עד שהתמונה תקטן או תיסגר לגבולות גליון האור הרצויים. לאחר מכן כבה את המצלמה והפעיל את הלייזר בעוצמה נמוכה. ודא כי יריעת האור ניצבת לרצפה ולאחר מכן מקם יעד כיול המסומן ברשת בדיוק במרכז יריעת האור.
חיוני לוודא שמצלמת ה-PIV ניצבת על יריעת האור ושסדין האור ניצב לרצפה או לתחתית המתקן. אי-התאמה גורמת להקרנות מהירות שגויות, ומכאן שגיאת מהירות נוזלית. כבה את הלייזר והדליק את המצלמה שוב.
מקד את המצלמה ביעד הכיול וללכוד תמונה בודדת. פתח את התמונה בתוכנה לעיבוד תמונה ואשר כי המרווח בין השורות, הגובה והעמודות עקבי לאורך היעד. גודלי הסמן הפינתי צריכים להיות שונים לא יותר מפיקסל אחד ובאופן אידיאלי, הם צריכים להיות זהים.
אם התמונה עומדת בקריטריונים אלה, הסר את יעד הכיול. התקן את הרשת והפעל את המתקן. ואז להציג על כף מלאה של חלקיקי מעקב PIV לנוזל.
המתן עד שהמעקבים והנוזלים מעורבבים היטב לפני שתמשיך. לאחר מכן הפעל את הלייזר והגדר אותו לשליטה חיצונית וכוח גבוה. כבה את אורות החדר וללכוד זוג תמונות כדי להעריך את צפיפות המעקב.
הגדל בהדרגה את ריכוז המעקב בכפית מלאה לצפיפות הראייה הרצויה. לאחר מכן הגדר את קצב המסגרות של מצלמת PIV לערך הגבוה ביותר האפשרי והגדר את השעה בין תמונות PIV עוקבות. ודא שתצורת הלייזר נקבעה כראוי.
לאחר מכן לכבות את האורות ולאסוף נתונים במצב חופשי במשך כמה שניות. הצלב לתאם את זוגות התמונה ולאשר כי הנתונים שנרכשו הוא באיכות טובה. עצור את תנודות הרשת בסיום.
כדי להתחיל בהגדרת מעקב חלקיקים דו-מימדי, מקם אור קו LED מונוכרומטי מתחת למתקן רשת התנודות כך שדף האור יהיה ממורכז בתוך קו ה- LED. הפעל את אור קו ה-LED ואת הלייזר בה הספק נמוך. ודא כי גיליון האור ותאורת הקו מיושרים היטב ולאחר מכן כבה אותם.
לאחר מכן חבר עדשה למצלמת CMOS במהירות גבוהה שתשמש למעקב אחר חלקיקים. הפעל את המצלמה במצב רציף או חי חינם, והתמקד בה גס באזור העניין. כוונן את הגובה והמרחק של מצלמת המעקב אחר החלקיקים עד שאזור העניין יהיה עם שדה התצוגה שלו והמצלמה ברמה בניצב לאור הקו.
כבה את המצלמה. הפעל את אור הקו והצב את יעד הכיול במרכז אור הקו. לאחר מכן כבה את אור הקו, הפעל את המצלמה ומקד אותו במטרה.
לכוד תמונה של יעד הכיול ואשר שמצלמת המעקב אחר החלקיקים היא ברמה, בניצב ליעד ובפוקוס ללא עיוות תמונה בקצוות. הסר את יעד הכיול לאחר מכן. לאחר מכן הגדר את מספר התמונות במהירות גבוהה שיש לאסוף.
בהתבסס על מהירות החלקיק הצפויה, הגדר את קצב המסגרות והרזולוציה לערכים שאמורים להשיג עקירת חלקיקים של שלושה עד עשרה פיקסלים בין תמונות. התקן את הרשת, הפעל את אור קו ה-LED והכהה את החדר. התחל את תנודות הרשת והכנס חלק קטן מחלקיקי העניין לזרימה.
כאשר החלקיקים מופיעים במצלמה במהירות גבוהה, ללכוד כמה מסגרות. חשוב שמסלולי החלקיקים יהיו גלויים בבירור בתמונות, מה שמצביע על כך שהחלקיקים נשארים במישור ולא חופפים לעתים קרובות. אי עמידה בקריטריונים אלה תגרום חוסר יכולת לעקוב במדויק אחר החלקיקים.
ודא שאין אפקטי כניסה גלויים, חפיפת חלקיקים היא נדירה, ותניית החלקיק היא בעיקר במישור. עצור את התנודות בסיום. כדי להתחיל בכיול הסופי, כשהאורות מעומעמים, מקם את יעד הכיול בתוך יריעות תאורת ה-LED והלייזר.
כבה את הלייזר וה-LED והדלק את אורות החדר. ודא כי יעד הכיול נמצא במוקד בתוך FOVs המצלמה, ויש לו סימן ייחודי גלוי לשתי המצלמות. לכוד תמונה של יעד הכיול בשתי המצלמות.
שימו לב למיקומים הרלוונטיים של הסימן הייחודי, ואשרו שהמצלמות עדיין ברמה ולא מראות עיוותים בקצוות. לאחר מכן הסר את יעד הכיול, התקן את הרשת והתחל את התנודות. תן לו לרוץ לפחות 20 דקות כדי לאפשר לזרימה להגיע למצב יציב.
לאחר מכן להכהות את החדר, להפעיל את אור קו LED, ולהציג את החלקיקים לתוך הזרימה. בו זמנית להתחיל את פולסים לייזר ורכישת תמונה עבור שתי המערכות כאשר חלקיקים מופיעים במצלמת מעקב חלקיקים FOV. לאחר סיום רכישת הנתונים, שמור את התמונות והפסק את תנודות הרשת.
נתח את התפלגות מהירות הזרימה ואת מסלולי החלקיקים. ניתן לעבד את תמונות ה- PIV במהירות נוזלים מיידית ובהפצות מערבולת. כאן התפלגות וקטור מהירות הנוזלים מכוסה במפת צבע מערבולת.
עם התקנה זו, עוצמת הממוצע המרחבי של תנודות מהירות נוזלים בריבוע ממוצע שורש מעל שדה PIV של התצוגה צריך להגדיל עם תדירות תנודות עבור רכיבי מהירות אופקית ואנכית. מסלולי חלקיקים ומהירויות ניתן לקבוע מתוך תמונות מעקב חלקיקים במהירות גבוהה. התפלגות מהירות החלקיק צריכה להיות גסה.
כאן חלקיקים גדולים יותר בצורה לא סדירה הראו בדרך כלל התפלגויות מהירות חלקיקים עם סטיות תקן גדולות יותר מאלה של החלקיקים הכדוריים הקטנים יותר. למרות ששתי קבוצות החלקיקים הראו התפלגויות עם מהירות אנכיות ממוצעות גדולות יותר וסטיות תקן גדולות יותר ככל שקצב התנודות ברשת גדל. זרימה עומדת יישוב מהירות של חלקיקים סינתטיים, חול תעשייתי, וחול שנאסף מקומית נקבע ממסלולי החלקיקים שלהם כל הסכים בערך עם עקומות דיטריך.
הנטייה של חלקיקים יישוב מהירות כדי להגדיל עם תדירות תנודות רשת נחקרה עוד יותר בניתוח הבא. מדידה אופטית בו זמנית של קינטיקה חלקיקים ודינמיקת נוזלים, במיוחד מערבולת, היא מאתגרת בגלל הפוטנציאל להפרעות בין שתי טכניקות ההדמיה, וכתוצאה מכך אי דיוקים במדידה. זרימות תלת מימדיות חזקות אינן מתאימות היטב לטכניקה זו, מכיוון שתנועות מחוץ למישור ייצרו שגיאות הן במעקב הדו-ממדי והן בניתוח מהירות החלקיק.
הריכוז של חלקיקים מסומנים חייב להיות נמוך יחסית כדי למקסם את הביטחון כי אותו חלקיק נמצא במעקב בתמונות עוקבות. כמו כן, עוקבי PIV והחלקיקים במעקב חייבים להיות שונים במידה מספקת בגודלם כדי להבחין ביניהם. השילוב של מידע מהירות הזרימה עם מסלול החלקיק תלוי במה שנחקר.
לדוגמה, שיטה זו יכולה גם לבחון את מהירות הזרימה במקרים ספציפיים בזמן לאורך המסלול של החלקיק. טכניקה זו הודגמה עם הובלת מעים, יישום למדעי התנועה אך היא רלוונטית ביישומים רבים שבהם זרימת נוזלים אינטראקציה עם חלקיקים טבעיים או מעשה ידי אדם.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה בעלות נמוכה למדידה סימולטנית של קינמטיקת חלקיקים וטורבולנציה בזרימות בעלות ריכוז חלקיקים נמוך. באמצעות ולוצימטריה של תמונות חלקיקים (PIV) ודימות במצלמה מהירה, מאפשרת הטכניקה ניתוח מפורט של התנהגות חלקיקי משק בסביבות טורבולנטיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- דינמיקת נוזלים
- פיזיקה של חלקיקים
- טכניקות מדידה אופטיות
רקע
- אינטראקציות של חלקיקים בנוזלים הן קריטיות בתחומי מדעים שונים.
- הבנת מסלולי החלקיקים ומהירויות הזרימה חיונית לאפיון התנהגות משקעים.
- שיטות מסורתיות עשויות להיות פולשניות או יקרות.
- שיטה זו מציעה חלופה לא פולשנית למדידות סימולטניות.
מטרת המחקר
- למדידת מהירויות שקיעה של חלקיקי משקעים בזרימות טורבולנטיות.
- לאפיון מסלולי חלקיקים תוך כדי מדידת מהירויות טורבולנטיות.
- לספק טכניקת מדידה יעילה ובעלת עלות נמוכה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הקמה של לייזר פולסים בעוצמה גבוהה עם ראש כפול למדידות אופטיות.
- שימוש בעדשה גלילית ליצירת מישור אור דו-ממדי.
- הרכבה של עדשה כדורית ליצירת דף אור (light sheet).
- יישום של ולוסימטריה של תמונות חלקיקים (PIV) לאיסוף נתונים.
תוצאות עיקריות
- מדידה מוצלחת של מסלולי חלקיקים בזרימה טורבולנטית.
- מדידה סימולטנית של מהירויות טורבולנטיות באותו מיקום.
- הדגמה של יעילות השיטה בתרחישים של ריכוז חלקיקים נמוך.
- אספקת אפיון מפורט של התנהגות משקעים.
מסקנות
- השיטה מספקת גישה מהימנה לחקר אינטראקציות בין נוזלים לחלקיקים.
- היא משפרת את ההבנה של דינמיקת משקעים בסביבות טורבולנטיות.
- ניתן להחיל את הטכניקה על תחומים מדעיים שונים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית לדרג ניהולי
הבנת האינטראקציות בין נוזלים לחלקיקים היא קריטית לחיזוי הובלת מזהמים, לאופטימיזציה של ביצועי ביו-ריאקטורים ולהערכת התנהגות חלקיקים בסביבות נוזליות מורכבות. שיטה זו מאפשרת מדידה בו-זמנית ולא פולשנית של טורבולנציה וקינמטיקת חלקיקים, ומספקת נתונים ברמת דיוק גבוהה להפחתת סיכונים מכניסטיים בשלבים מוקדמים של פיתוח תהליכים. על ידי אספקת נתוני זרימה ומסלול כמותיים ומסונכרנים, היא תומכת בביטחון חיזוי במערכות שבהן זרימות עמוסות חלקיקים משפיעות על איכות המוצר, על היבול או על הבטיחות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של האופן שבו מיקרו-סביבות טורבולנטיות משפיעות על תנועת חלקיקים, ובכך תומך בבדיקת היפותזות במודלים של אינטראקציה בין נוזל לחלקיקים.
- ערך תפעולי: מספק פלטפורמה בעלות נמוכה ובת-שימוש חוזר לתיקוף התנהגות חלקיקים תחת תנאים הידרודינמיים מבוקרים ללא הפרעה למערכת.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר קריאות סטנדרטיות וסימולטניות של שדות מהירות נוזלים ומסלולי חלקיקים עבור תנאי בדיקה הניתנים לשחזור.
- ערך תפעולי: מסייע באופטימיזציה של זריעת חלקיקים ופרמטרי הדמיה כדי להבטיח את איכות הנתונים לאורך הרצות חוזרות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במידול רלוונטי למחלות של הובלת חלקיקים בזרימות פיזיולוגיות, כגון אירוסולים שנשאפו או מיקרו-נשאיים תוך-ורידיים.
- ערך תפעולי: מאפשר בחינת שיקולי הגדלה (scale-up) על ידי אפיון תגובת החלקיקים לטורבולנציה לאורך משטרי זרימה שונים.
שילוב תהליכי עבודה (Pipeline & Workflow)
השיטה משתלבת בתהליכי עבודה של גילוי שבהם דינמיקה של נוזלים משפיעה על מערכות מבוססות חלקיקים, ומספקת בסיס לקבלת החלטות, החל מסריקת השערות ראשונית ועד ליציבות של פורמולציות פרה-קליניות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בהסרת סיכונים מנגנוניים על ידי כימות השפעת טורבולנציית הזרימה על פיזור, שקיעה או אגרגציה של חלקיקים.
- סקר (Screening): מספקת פלטים כמותיים ומסנכרנים (וקטורי מהירות והעתקת חלקיקים) המאפשרים השוואת תנאים ובחירת פגיעות (hits).
- אנליטיקה: מספקת תנודות מהירות נוזל של שורש ממוצע הריבועים והתפלגויות מהירות חלקיקים כנקודות סוף מדידות להשוואה סטטיסטית.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין אפיון זרימה בקנה מידה מעבדתי לרלוונטיות פרה-קלינית במערכות כגון הובלה ריאתית או היווצרות ביופילם.
- שימוש חוזר ארגוני: מייצגת יכולת אופטית מודולרית הניתנת להתאמה למחקרי זרימה שונים בעמוסי חלקיקים על פני פרויקטים מרובים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית במערכות נוזל-חלקיק באמצעות תצפית ישירה וסימולטנית על הזרימה והתנועה.
- ערך תפעולי: מבטיח שחזוריות באמצעות יישור סטנדרטי של לוח האור (light-sheet) וניתוק קצב הפריימים כדי למזער זיהום של התמונה.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) על ידי אספקת נתונים מנבאים ומוקדמים על התנהגות חלקיקים תחת מאמץ טורבולנטי.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר קידום של פורמולציות חלקיקיות מותאם-סיכון, בהתבסס על ביצועים הידרודינמיים המהוךים אמפירית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדידת זרימה אופטית ובטכניקות מעקב אחר חלקיקים.
- נחוץ סנכרון מצלמות כפול, תאורה בלייזר פועם ותשתיות הדמיה במהירות גבוהה.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית לפרוטוקולי PIV ומעקב אחר חלקיקים כדי להבטיח השוואתיות של הנתונים.
- מוגבל לזרימות דו-ממדיות-מעין (quasi-two-dimensional); תנועה חוץ-מישורית גורמת לשגיאות מדידה.
- יעיל רק כאשר החלקיקים הנעקבים גדולים משמעותית מחלקיקי המעקב של ה-PIV ונמצאים בריכוז נמוך כדי למנוע חפיפה.
