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Articolo metodologico

Metodi per misurare l'orientamento e rotazione Tasso di particelle in turbolenza 3D-stampati

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DOI:

10.3791/53599

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24 giugno 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics, Wesleyan University

In questo articolo

Sommario

Utilizziamo la stampa 3D per fabbricare particelle anisotrope a forma di martinetti, croci, tetradi e triadi, i cui allineamenti e rotazioni nel flusso turbolento di fluidi possono essere misurati da più immagini video simultanee.

Abstract

Metodi sperimentali sono presentati per misurare il moto rotatorio e traslatorio di particelle anisotrope in flussi di fluidi turbolenti. tecnologia di stampa 3D è usato per fabbricare le particelle con le braccia esili collegati ad un centro comune. Forme esplorati sono croci (due aste perpendicolari), jack (tre aste perpendicolari), triadi (tre aste in triangolare simmetria planare), e tetradi (quattro armi nella simmetria tetraedrica). Metodi per la produzione dell'ordine di 10.000 particelle fluorescenti tinti sono descritti. Misure di tempo-risolta del loro orientamento e la velocità di rotazione solid-body sono ottenuti da quattro video sincronizzati del loro moto in un flusso turbolento tra oscillante griglie con R λ = 91. In questo relativamente basso-Reynolds flusso numero, le particelle sono abbastanza piccole convogliati che approssimano particelle traccianti ellissoidali. Presentiamo risultati delle traiettorie 3D risolte nel tempo di posizione e orientamento delle particellecosì come le misure delle loro velocità di rotazione.

Introduzione

In una recente pubblicazione, abbiamo introdotto l'uso di particelle costituite da più braccia sottili per misurare il movimento rotatorio delle particelle in turbolenza 1. Queste particelle possono essere fabbricati utilizzando stampanti 3D, ed è possibile misurare con precisione la loro posizione, l'orientamento e la velocità di rotazione con più telecamere. Utilizzando strumenti dalla teoria corpo snello, si può dimostrare che queste particelle hanno corrispondente ellissoidi efficaci 2, ed i moti rotatori di queste particelle sono identiche a quelle dei rispettivi ellissoidi efficaci. Le particelle con le braccia simmetriche di uguale lunghezza ruotano come sfere. Una tale particella è un martinetto, che ha tre bracci reciprocamente perpendicolari allegate al suo centro. Regolazione delle relative lunghezze dei bracci di presa può formare una particella equivalente a qualsiasi ellissoide triassiale. Se la lunghezza di un braccio viene impostato uguale a zero, questo crea una croce, il cui ellissoide equivalente è un disco. Le particelle fatte di sottilibraccia occupano una piccola frazione del solido volume delle loro controparti solide ellissoidali. Di conseguenza, si sedimentano più lentamente, rendendoli più facili da partita densità. Ciò consente lo studio delle particelle molto più grande è conveniente con particelle ellissoidali solide. Inoltre, l'imaging può essere eseguita in concentrazioni di particelle molto più elevate perché le particelle bloccano una frazione più piccola della luce da altre particelle.

In questo lavoro, i metodi per la fabbricazione e il monitoraggio di particelle 3D-stampati sono documentate. Strumenti per il monitoraggio del movimento di traslazione di particelle sferiche da posizioni delle particelle come si è visto da più telecamere sono stati sviluppati da diversi gruppi 3,4. Parsa et al. 5 esteso questo approccio per monitorare aste utilizzando la posizione e l'orientamento delle barre visti da più telecamere. Qui, presentiamo i metodi per fabbricare particelle di un'ampia varietà di forme e ricostruire il loro orientamento 3D. Questo offre the possibilità di estendere tracking 3D di particelle con forme complesse ad una vasta gamma di nuove applicazioni.

Questa tecnica ha un grande potenziale per un ulteriore sviluppo a causa della vasta gamma di forme di particelle che possono essere progettati. Molte di queste forme hanno applicazioni dirette dei flussi ambientali, dove plancton, semi e cristalli di ghiaccio sono disponibili in una vasta gamma di forme. Le connessioni tra le rotazioni di particelle e le proprietà fondamentali su piccola scala di flussi turbolenti 6 suggeriscono che lo studio delle rotazioni di queste particelle fornisce nuovi modi di guardare il processo a cascata turbolenta.

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Protocollo

1. Fabbricazione di particelle

  1. Utilizzare un programma di redazione Aided 3D computer per creare modelli di particelle. Esportare un file per ogni modello in un formato di file che può essere elaborato dalla stampante 3D utilizzato.
    1. Utilizzare il comando Circle per disegnare un cerchio con un diametro di 0,3 mm. Utilizzare la funzione Estrusione fare un cilindro con una lunghezza di 3 mm.
    2. Fare una croce con due cilindri ortogonali con un centro comune; fare una presa a tre cilindri mutuamente ortogonali con un centro comune; fare una tetrade con quattro cilindri condivisione di un fine comune a 109,5 ° angoli fra loro; effettuare una triade con tre cilindri in un piano condividono un fine comune a 120 ° angoli tra loro.
    3. Per inclinare cilindri (qui di seguito denominata "braccia" delle particelle) con uno rispetto all'altro, utilizzare il comando Ruota 3D per disegnare una linea attraverso il diametro del cerchio in una delle sue estremità e poi inserire l'angolo di rotazione desiderato.
    4. Utilizzare il comando dell'Unione di jonelle diverse armi insieme in un unico oggetto stagna.
    5. Utilizzare Ruota 3D di nuovo per inclinare l'oggetto in modo che non ci sono braccia lungo gli assi verticali o orizzontali, perché le armi che si trovano lungo questi assi tendono ad avere difetti, rompere più facilmente, o appiattirsi.
    6. Esporta ciascun oggetto in un file separato in un formato che può essere utilizzato da stampanti 3D.
  2. Ordinare circa 10.000 particelle di ogni tipo da una fonte commerciale che si specializza nella produzione di additivi o stamparli presso una struttura a disposizione. Le particelle devono essere stampati su una stampante estrusione di polimeri che utilizza una matrice di supporto in materiale differente che può essere sciolto distanza.
    1. Ordinare le particelle di tre settimane o più prima esperimenti sono previsti in quanto la disposizione e la stampa di tante particelle è un processo lento. Assicurarsi che le particelle sono stampate su "modalità ad alta risoluzione", perché le particelle sono vicino alla dimensione del tratto minimo di molte stampanti 3D e unrms non sarà così simmetrica e possono rompersi se stampati a bassa risoluzione.

2. Preparazione di particelle

  1. Preparare una soluzione di sale in cui le particelle sono galleggiamento neutro per ridurre al minimo le braccia particelle 'di flessione, mentre in deposito e in modo che le forze gravitazionali e la galleggiabilità non devono essere contabilizzati per l'analisi.
    1. Testare densità medie delle particelle immergendo le particelle in soluzioni di acqua mescolata con cloruro di calcio (CaCl 2) a densità intorno a 1,20 g / cm 3.
      1. Per determinare la densità dell'acqua, primo zero scala mentre un matraccio tarato da 100 ml vuoti è su di esso. Prendere il pallone fuori e riempirlo con acqua mista a CaCl 2. Porre il pallone torna in cima alla scala e dividere la massa data dal 100 ml.
        Nota: Poiché 1 ml = 1 cm 3, 1 g / ml = 1 g / cm 3.
      2. particelle di test a diverse densità soluzione diversa, che vanno da 1,16 g / cm3 al 1,25 g / cm 3, in circa 0,01 g / cm 3 incrementi. Prova più particelle ad ogni densità perché tutte le particelle hanno la stessa densità: nella stessa soluzione, alcuni affonderà, alcuni saranno galleggiamento neutro, e alcuni saranno galleggiare.
    2. Record al quale le particelle di densità sono, in media, galleggiamento neutro dopo diverse ore.
      Nota: La densità trovato può essere significativamente differente dalla densità apparente citato dai produttori particelle.
    3. Mescolare circa 400 kg di CaCl 2 in circa 1.600 L di acqua fino a quando la soluzione è alla densità registrata in 2.1.1 - 2.1.2.
    4. Rimuovere circa 1 L di questa soluzione mista per tipo di particella (martinetti tetradi, ecc) da utilizzare per la memorizzazione di particelle. Tenere ogni litro in un diverso contenitore a temperatura ambiente. Conservare il resto della soluzione a temperatura ambiente in un grande serbatoio di stoccaggio.

figure-protocol-1
Figura 1. Una presa a vari stadi di rimozione resina. A) I blocchi di resina supporto che le particelle arrivano in. B) Un singolo blocco separato dal resto. Ce) Molteplici fasi di rimozione resina fatto a mano. F) Una singola Jack dopo il colorante bagno di NaOH e rodamina-B. Fai clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

  1. Svitare manualmente il materiale di supporto in cui le particelle vengono racchiusi rompendo delicatamente i pezzi di grandi dimensioni (~ 5 mm x 320 mm, parte del quale è visibile in figura 1a) in piccole sezioni (~ 5 mm x 5 mm, Figura 1b), allora massaggiare manualmente ogni sezione fino a quando gran parte della resina in eccesso è venuto fuori (Figura 1c-e). Removall'e resina in eccesso in questo modo per ridurre la quantità della soluzione di NaOH che dovrà essere creato per passi 2.2.1 - 2.2.4.
    1. Posizionare il blocco di resina restante 10% in idrossido di sodio massa (NaOH) immerso in un bagno ad ultrasuoni per un'ora. La resina è un materiale differente che le particelle sono, quindi NaOH rimuoverà la resina senza influenzare in modo permanente le particelle.
      ATTENZIONE: La soluzione è corrosivo e otterrà a caldo in bagno ad ultrasuoni.
    2. Filtrare le particelle.
      1. Per filtrare le particelle, creare un imbuto utilizzando reti con 0.1016 cm x 0.13462 fori cm di plastica. Tenere l'imbuto sopra il contenitore da utilizzare per lo smaltimento della soluzione di NaOH e versare lentamente la soluzione attraverso. Smaltire soluzione di NaOH in conformità con le linee guida per la salute e la sicurezza ambientale.
    3. particelle Sciacquare delicatamente con acqua prima di immergere in un nuovo 10% della massa soluzione di NaOH in un bagno ad ultrasuoni per un'altra mezz'ora.
    4. Filtrare le particelle in 2.2.2.1 e memorizzare nella soluzione densità di corrispondenza separati in 2.1.4 mentre si induriscono. Maneggiare con cura le particelle perché la soluzione di NaOH li ammorbidisce temporaneamente.
      Nota: Se le particelle non sono memorizzati in una soluzione di densità corrispondenza, alcuni bracci possono piegarsi. Mantenendo loro immersi nella soluzione densità abbinato per diverse ore permette altresì di vuoti in plastica per riempire di liquido.
  2. particelle Dye con rodamina B miscelati con acqua in modo che essi fluorescenza sotto la luce emessa da un laser verde.
    1. Preparare una soluzione 1 L di colorante rodamina B in acqua ad una concentrazione di 0,5 g / L (in seguito denominato "colorante").
      ATTENZIONE: tossico.
    2. Riscaldare il colorante ad una temperatura tra 50 e 80 ° C, a seconda del materiale particellare. Utilizzare temperature più elevate per materie plastiche più dure; utilizzando troppo alta di una temperatura comporterà bracci flessione.
    3. Mettere ~ 2.500 particelle, abbastanza per riempire liberamente ~ 25 ml In la soluzione di archiviazione densità di corrispondenza, nella tintura e mantenere il tutto a 80 ° C per due o tre ore per consentire il colorante di assorbire nel polimero. Rimuovere le particelle, una volta che sono rosa, come quello della Figura 1f.
      ATTENZIONE: Il calore ammorbidire le particelle temporaneamente.
    4. Filtrare le particelle e sciacquare prima dello stoccaggio nelle soluzioni designati separati in 2.1.4. Le particelle perderanno una piccola frazione del loro colore, rendendo rosa soluzione, ma risciacquo sotto il rubinetto aiuta a prevenire perdere una quantità dannosa di colorante.
      Nota: la densità media delle particelle sarà cambiato a causa di tintura, in modo da testare ancora una volta come in 2.1.1-2.1.2 per trovare la nuova densità della soluzione in cui le particelle sono, in media, galleggiamento neutro.
  3. Cambiare bulk soluzione di CaCl 2 (da 2.1.3) la densità a seconda delle necessità. Ripetere 2.1.4 e rimuovere nuovi volumi di soluzione densità di corrispondenza. Smaltire ex soluzioni di storage, che adesso avrà piccole quantità di rodamina-B dvoi in loro, secondo le norme di igiene e sicurezza ambientale.
  4. Ripetere 2.3.2-2.3.4 per serie successive di ~ 2500 particelle, memorizzare tutte le particelle della stessa forma nelle stesse soluzioni densità corrispondenza creati in 2.4, separati dalle particelle di diverse forme.
    Nota: Dopo circa 5 ripetizioni di 2.3.2-2.3.4, la soluzione rodamina-B non sarà più una concentrazione sufficientemente elevata per tingere efficacemente particelle.
  5. Smaltire la soluzione creata in 2.3.1 in conformità alle norme di igiene e sicurezza ambientale, quindi ripetere 2.3.1 e creare una nuova soluzione di 0,5 g / L con cui tingere le particelle.
  6. Ripetere 2.6 ogni 5 ripetizioni di 2.3.2-2.3.4.

3. Sperimentale e configurazione ottica

figure-protocol-2
Figura 2. configurazione sperimentale. Nel flusso ottagonale tra le griglie oscillanti, un volume di visualizzazione centrale nel centro dile quattro telecamere è illuminato da una Nd verde:. YAG a) Vista laterale che mostra come i quattro telecamere sono disposti e collegati ai computer. Figura da 13. B) Vista dall'alto che mostra laser, specchio, e la configurazione della lente per ottenere un'illuminazione uniforme nel volume centrale. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

  1. Preparare le telecamere.
    1. Utilizzare telecamere in grado di risoluzione di almeno 1 megapixel a 450 fotogrammi al secondo.
    2. Disporre le telecamere in modo tale che ogni telecamera sta indicando, e si concentra su, al centro del volume di visualizzazione. Meno telecamere possono essere utilizzati, tuttavia shadowing di un braccio di una particella da un altro braccio limita la precisione della misurazione di orientamento, e avendo meno telecamere rende esperimenti più sensibili a questo effetto. Utilizzando più di quattro telecamere potrebbe parimenti aumentare orientamento measurement precisione perché ridurrà la probabilità di armi essere pedinato su tutte le telecamere, che è una fonte primaria di incertezza.
    3. Posizionare le telecamere con ampio (~ 90 °) angoli tra ciascuna coppia soggetta a vincoli dell'apparato. Posizionare telecamere come mostrato in Figura 2 per bilanciare accesso sperimentale e la dimensione dell'angolo tra singole telecamere. Ridurre al minimo le distorsioni ottiche con la costruzione di porti visualizzazione nell'apparecchio perpendicolari tra direzione di visualizzazione della telecamera.
    4. Utilizzare 200 mm obiettivi macro su ogni telecamera per ottenere il volume di misura desiderata da una distanza di lavoro di mezzo metro. Il volume visto da tutti e quattro telecamere determina il volume di rilevamento, che è di circa 3 x 3 x 3 cm 3.
    5. Calibrare le telecamere per consentire la trasformazione da posizioni dei pixel misurati per le coordinate nello spazio 3D.
      1. Impostare le aperture di f / 11 e montare 532 nm filtri notch per rimuovere la luce laser, consentendo attraverso a lungo wavelength fluorescenza sulle telecamere
      2. Inserire una maschera di calibrazione dell'immagine nel serbatoio, riempire il serbatoio con la soluzione in massa dal 2,4, e illuminare la maschera.
      3. Regolare le telecamere in modo che ognuno ha la maschera in vista e sono tutti concentrati sullo stesso punto della maschera. allineare attentamente le telecamere per ottimizzare la forma del volume di rilevamento.
      4. Fare attenzione a cambiare il meno possibile sulla configurazione ottica da questo punto in avanti.
      5. Acquisire e memorizzare immagini della maschera da ogni telecamera.
      6. Scolare la soluzione dal serbatoio e la pompa indietro dove era stato precedentemente memorizzato.
      7. Estrarre i parametri che specificano la posizione, la direzione di visualizzazione, l'ingrandimento, e le distorsioni ottiche di ogni telecamera dalle immagini di calibrazione. Eseguire questa identificando posti sulla maschera di calibrazione visibile su tutti quattro telecamere e definire la distanza tra questi punti. Con queste informazioni, utilizzare metodi di calibrazione standard per estrarre pa rilevantirametri.
        Nota: Il metodo di calibrazione di base è descritto in Tsai 1987 7 L'implementazione usata in questi esperimenti è descritto in Oullette et al 3 ricercatori che intendono sviluppare software di calibrazione della fotocamera possono anche prendere in considerazione OpenPTV 4...
      8. Creare un file di calibrazione finale utilizzando un processo di calibrazione dinamica. Questo viene fatto dopo che i dati tracciante di particelle è stato acquisito. Utilizzare un non lineare dei minimi quadrati cercano di ottimizzare i parametri di calibrazione della fotocamera e di ottenere la più piccola discrepanza tra le posizioni delle particelle visti su più telecamere. Questi metodi sono descritti in rif. 8 e 9.
  2. Con Q-switched Nd verde: YAG capace di 50 potenza media W (di seguito denominato "laser"), illuminare un cilindro al centro del serbatoio con circa un diametro della sezione trasversale 3 cm, dove il flusso è omogenea. 8
    Nota: La potenza del laser è specified a una frequenza di 5 kHz. La frequenza degli impulsi in questi esperimenti è di 900 Hz, in cui la potenza in uscita è notevolmente inferiore.
    1. Dividere la luce del laser utilizzando un divisore di fascio e utilizzare specchi per guidare un fascio nella parte anteriore del serbatoio e l'altro, ortogonale al primo, nel lato del serbatoio.
    2. Inserire due specchi aggiuntive all'esterno del serbatoio, opposta dove le travi stanno entrando, al fine di riflettere la luce nel serbatoio e creare un'illuminazione più uniforme, diminuendo drasticamente effetti shadowing.
      Nota: La scala di lunghezza di effetti di interferenza dei fasci contro-moltiplicazione è troppo piccolo per incidere in modo significativo questi esperimenti.

4. eseguire gli esperimenti

  1. Prepararsi a registrare video da ogni telecamera.
    1. Programmare un sistema di compressione delle immagini che rimuove i dati di immagine non desiderati in tempo reale. 10, 1 3
      1. Se il problema not hanno una particella in vista, non salvare l'immagine.
      2. Dove ci sono pixel luminosi, salvare solo la posizione e la luminosità dei pixel luminosi invece che l'intera immagine.
        Nota: Poiché ogni particella copre tipicamente circa 5.000 pixel luminosi e raramente vi è più di una particella in vista alla volta, il sistema di compressione delle immagini riduce drasticamente la quantità di memoria richiesta per registrare con telecamere ad alta velocità per molte ore.
    2. Preparare il software di rilevazione dei dati.
  2. Preparare il flusso turbolento in un 1 x 1 x 1 m 3 vasca ottagonale con due parallele 8 cm griglie di maglia oscillanti in fase. 8
    1. Pompa soluzione di CaCl 2 da 2.4 in una camera a vuoto e tenerlo nella camera durante la notte per degassare la soluzione, che minimizza bolle d'aria negli esperimenti.
    2. soluzione pompa dalla camera a vuoto attraverso un filtro da 0,2 micron nel serbatoio ottagonale dove gli esperimenti will essere eseguita.
  3. Simula.
  4. Scegli un tipo di particelle (particelle traccianti, Martinetti, croci, tetradi, o triadi) da utilizzare per il primo turno di esperimenti e aggiungere tutte le 10.000 di queste particelle in acqua attraverso una porta nella parte superiore del dispositivo. Chiudere questa porta dopo l'aggiunta di particelle.
    1. Accendere il laser.
    2. Impostare telecamere e laser per rispondere a un trigger esterno e impostare la frequenza del trigger a 450 Hz per telecamere e 900 Hz per il laser. Utilizzare il trigger esterno per garantire tutte le telecamere iniziano acquisizione simultaneamente e rimangono sincronizzati durante la registrazione
    3. Aprire l'apertura del laser.
    4. Impostare la griglia alla frequenza selezionata (1 o 3 Hz) ed avviarlo esecuzione. Prima di iniziare l'acquisizione dei dati, eseguire la griglia per circa 1 minuto per consentire la turbolenza di sviluppare pienamente.
    5. Record 10 6 fotogrammi al fine di mantenere la dimensione del file gestibile e mantenere eventuali errori che possono verificarsi nell'immaginesistemi di compressione da compromettere troppi dati.
    6. Chiudere l'apertura laser e fermare il grilletto fotocamera. Ripristinare i sistemi di compressione delle immagini e le telecamere.
      1. Verificare che i file video non siano danneggiati visualizzando porzioni di ogni file.
    7. Ripetere 4.4.1 - 4.4.6 fino a 10 7 immagini sono state registrate alla frequenza di rete scelto per la particella prescelto.
  5. Cambiare la frequenza di rete a quello non scelto 4.4.4 e ripetere 4.4.4 - 4.4.7
  6. Svuotare il serbatoio e filtrare l'acqua per rimuovere tutte le particelle. Salvare le particelle nell'acqua storage da 2.4 se lo si desidera.
  7. Ripetere 4,4-4,6 per tutti i tipi di particelle.
  8. Dopo che tutti gli esperimenti sono stati finiti, calibrare le telecamere ancora una volta, come in 3.1.5-3.1.5.7.

Analisi 5. I dati

Nota: Questa sezione del Protocollo presenta una panoramica del processo utilizzato per ottenere orientamenti di particelle e tassi di rotazione. La specifica programs utilizzati, insieme alle immagini di prova e file di calibrazione, sono inclusi come supplemento a questa pubblicazione, e sono aperti da utilizzare con qualsiasi lettori interessati. (Vedere il file "Use_Instructions.txt" nel file supplementare "MATLAB_files.zip".)

  1. Utilizzando i parametri di calibrazione della telecamera, ottenere la posizione 3D e l'orientamento da immagini di particelle su più telecamere.
    1. Ad ogni frame, trovare il centro della particella su ciascuno dei quattro immagini. Tutte le particelle in questi esperimenti sono sufficientemente simmetrica che il centro dell'oggetto è al centro geometrico dei pixel luminosi sull'immagine se visto da qualsiasi prospettiva.
    2. Trovare la posizione 3D della particella da stereomatching sue ​​posizioni 2D simultanee su tutti quattro telecamere 3, 8.
    3. Creare un modello numerico della particella che può essere proiettato su ogni telecamera per modellare l'intensità dell'immagine da quella telecamera.
      1. Modellare la paArticolo come un composito di aste. Utilizzando i parametri di calibrazione fotocamera da 3.1.5.7 e 3.1.5.8, proiettare i due punti di estremità di ciascuna asta sulle telecamere e poi modellare la distribuzione dell'intensità luminosa in due dimensioni, con una funzione gaussiana tutta la larghezza della barra e una Fermi funzione -Dirac in tutta la sua lunghezza in base al protocollo software.
      2. intensità della luce Modello in due dimensioni in questo modo per minimizzare il costo computazionale della analisi dei dati. Proiezione di un intero modello tridimensionale della particella fluorescente potrebbe migliorare questo metodo, ma sarebbe molto più computazionalmente intensive.
      3. Fare clic su Esegui per iniziare l'analisi.
    4. Scegli un'ipotesi iniziale di orientamento delle particelle.
      1. Se analizzando il primo fotogramma in cui questa particella è visibile, la prima ipotesi può essere un insieme casuale di angoli di Eulero.
      2. Se questa particella era in almeno un frame precedente, utilizzare l'orientamento trovati usando il fotogramma precedente comeil dato iniziale.
    5. Eseguire un non lineare dei minimi quadrati per determinare l'orientamento delle particelle.
      1. Ottimizzare la tre posizioni coordinate 3D e tre angoli di Eulero tale che il quadrato della differenza tra l'intensità misurata e la proiezione 2D del modello è minimizzato su tutti e quattro telecamere secondo protocollo software.
        Nota: Ci sono molteplici convenzioni per definire angoli di Eulero. Definire gli angoli, (φ, θ, ψ), come segue: φ è una rotazione iniziale rispetto all'asse z, creando nuove assi x 'ey'; θ è una rotazione attorno x ', creando nuovi assi z' e y ''; ψ è una rotazione intorno al nuovo asse Z '. 11
    6. Scegliere l'orientamento che richiede la rotazione più piccolo rispetto al frame precedente. Per un jack, gli angoli di Eulero trovato dare uno dei 24 orientamenti simmetrici; fo tetrad è una delle 12 orientamenti simmetrici; una croce, è una delle 8 orientamenti simmetrici; e per una triade è una delle 6 orientamenti simmetrici.
      Nota: Il metodo in 5.1.6 presuppone che la particella non ruoterà più della metà di uno dei suoi angoli interni tra i frame. Giustificazione questa ipotesi è dato alla discussione.
  2. Salvare la posizione e angoli di Eulero in funzione del tempo.
  3. Utilizzare questi dati per estrarre velocità di rotazione solid-body e le altre grandezze.

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Risultati

La figura 3a mostra l'immagine di un tetrad da una delle nostre telecamere sopra una trama di angoli di Eulero ottenuto da una sezione della sua traiettoria (figura 3c). In figura 3b, i risultati dell'algoritmo orientamento conoscitiva, descritto protocollo 5 - 5.3, vengono sovrapposte l'immagine tetrade on. I bracci della tetrade in Figura 3a non seguono le semplici distribuzioni di intensità che vengono uti...

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Discussione

Misurazioni della vorticità e la rotazione delle particelle nel flusso di fluido turbolento sono da tempo riconosciuti come importanti obiettivi in ​​meccanica dei fluidi sperimentali. La rotazione solido-corpo di piccole sfere in turbolenza è pari alla metà della vorticità fluido, ma la simmetria rotazionale di sfere ha misurazione diretta della loro rotazione solid-body difficile. Tradizionalmente, la vorticità fluido è stato misurato utilizzando complesse, multi-sensore, a filo caldo sonde 14. Ma questi se...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno concorrenti interessi finanziari di rivelare.

Ringraziamenti

Ringraziamo Susantha Wijesinghe che ha progettato e costruito il sistema di compressione delle immagini che usiamo. Noi riconosciamo il sostegno della NSF concessione DMR-1.208.990.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Condor Nd:YAG 50 W laserQuantronics532-30-M
Telecamera ad alta velocitàBaslerA504k
Telecamera ad alta velocitàMikrotronEoSens Mc1362
Rhodamine-BScienceLab.comSLR1465
Sodium HydroxideMacron7708Pellets.
500 Stampante 3D ConnexObjetUtilizzato per creare particelle più piccole. Particelle ordinate da RP+M (prototipazione rapida più produzione).
VeroClearStratasysRGD810Objet.
Resina fotopolimerica Clear Form 1Formlabs
cilindriche e sferiche
per fotocamere macro da 200 mmcon attacco F.
Bagno ad ultrasuoniSonicatore
Cloruro di calcioSpettro chimico Mfg. Corp.CAS 10043-52-2Pellet.
NationalInstrumentsUtilizzato per attivare telecamere, griglia di controllo e laser di trigger.
Software XCAPEPIXUtilizzato con LabVIEW per attivare le telecamere.
MATLABMathworksUtilizzato per l'analisi di immagini e dati. I programmi per l'estrazione di orientamenti 3D da più immagini sono inclusi in questa pubblicazione.
OpenPTV: Open Source Particle Tracking VelocimetryOpenPTV Consortium
ParaViewKitware
AutoCADAutoDeskUtilizzato per progettare tutte le particelle. Gli screenshot dei progetti di particelle sono tutti di AutoCAD.
Mesh con fori da 0,040 x 0,053 polliciRete industrialeXN5170 43.5
Filtri per telecamereSchneider OpticsB+W 040M
Materiale di costruzione Lenti Obiettivi ,

Riferimenti

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  2. Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).
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  4. Open Source Particle Tracking Velocimetry. , Open PTV Consortium. Available from: www.openptv.net (2014).
  5. Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid. Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501(2012).
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