La tecnica descritta nel presente documento offre un metodo relativamente semplice e basso costo per misurare simultaneamente la cinematica delle particelle e turbolenza dei flussi con concentrazioni di particelle basso. La turbolenza è misurata usando particle image velocimetry (PIV) e cinematica delle particelle sono calcolati dalle immagini ottenute con una fotocamera ad alta velocità in un campo di vista sovrapposto.
È richiesta un abbonamento a JoVE per visualizzare questo contenuto. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Articolo metodologico
Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso
In questo articolo
Sommario
Abstract
Numerosi problemi in campi scientifici e ingegneristici coinvolgono comprensione della cinematica delle particelle in flussi turbolenti, come contaminanti, micro-organismi marini, e/o sedimenti nell'oceano, o reattori a letto fluidizzato e processi di combustione sistemi ingegnerizzati. Al fine di studiare l'effetto della turbolenza sulla cinematica delle particelle in tali flussi, sono necessarie misure simultanee della cinematica delle particelle sia il flusso. Esistono tecniche di misurazione di flusso non-intrusivo, ottici per la misurazione di turbolenza, o per tenere traccia delle particelle, ma entrambi di misura contemporaneamente può essere difficile a causa dell'interferenza tra le tecniche. Il metodo presentato qui fornisce un metodo relativamente semplice e basso costo per rendere misure simultanee della cinematica della particella e di flusso. Una sezione trasversale del flusso è misurata usando una tecnica di particella image velocimetry (PIV), che fornisce due componenti della velocità sul piano di misurazione. Questa tecnica utilizza un laser pulsato per illuminazione del campo di flusso teste di serie che è ripreso da una fotocamera digitale. La cinematica delle particelle sono contemporaneamente Imaging utilizzando una luce che emettono diodi (LED) linea luce che illumina una sezione trasversale planare del flusso che si sovrappone con la PIV campo di vista (FOV). La luce di linea è di potere abbastanza basso che essa non pregiudica le misure PIV, ma abbastanza potente per illuminare le particelle più grandi di interesse Imaging utilizzando la macchina fotografica ad alta velocità. Immagini ad alta velocità che contengono gli impulsi laser dalla tecnica PIV sono facilmente filtrate esaminando il livello di intensità sommata di ogni immagine ad alta velocità. Rendendo la frequenza dei fotogrammi della telecamera ad alta velocità incommensurabile con quello della frequenza fotogrammi fotocamera PIV, il numero di fotogrammi contaminati nelle serie temporali ad alta velocità può essere minimizzato. La tecnica è adatta per flussi medi che sono prevalentemente bidimensionali, contengono particelle che sono almeno 5 volte il diametro medio di PIV semina traccianti e sono bassi nella concentrazione.
Introduzione
Esistono un gran numero di applicazioni in campi di ingegneria e scientifiche che coinvolgono il comportamento delle particelle in flussi turbolenti, ad esempio, aerosol l'atmosfera, contaminanti e/o sedimenti nei sistemi ingegnerizzati e marine micro-organismi o sedimento in oceano1,2,3. In tali applicazioni, è spesso di interesse per capire come le particelle rispondono alla turbolenza, che richiede la misura simultanea della cinematica delle particelle e la dinamica dei fluidi.
Le tecnologie esistenti per misurare movimenti delle particelle, chi....
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Protocollo
Nota: Tutto il personale devono essere addestrato nell'uso sicuro e operazione di laser di classe IV anche come l'uso sicuro e funzionamento della mano ed attrezzi a motore.
1. sperimentale
- Installazione di PIV
- Impostare la doppia testina laser e ottica.
- Posizionare il laser su una piastra di ottica. Livellare il laser rispetto alla parte inferiore della struttura (o rispetto a terra se si desidera avere velocità verticale allineata con accelerazione gravitazionale) e allineare verticalmente il raggio laser con il centro del piano 2D essere imaged.
- Posizionare la lente cilindrica nel p....
- Impostare la doppia testina laser e ottica.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Risultati
Un disegno schematico dell'apparato sperimentale è illustrato nella Figura 1. La figura mostra la disposizione dei fogli di luce (LED e laser), la sovrapposizione nella FOVs e la posizione della FOVs rispetto alla griglia oscillante e le pareti del serbatoio. La turbolenza e le particelle sono misurate simultaneamente, come descritto nella sezione protocollo. La figura 2 Mostra i risultati di esempio delle misurazioni della veloc.......
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Discussione
Il metodo qui descritto è relativamente poco costoso e fornisce un modo semplice per misurare simultaneamente le traiettorie delle particelle e turbolenza al fine di esaminare l'influenza del flusso sulla cinematica delle particelle. È degno di menzione che flussi o movimenti delle particelle che sono fortemente tridimensionali non sono adatti per questa tecnica. Il movimento fuori del piano si tradurrà in errori17 in 2D di rilevamento e l'analisi PIV e deve essere ridotto al minimo. Inoltre, il m.......
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Ringraziamenti
Parti di questo lavoro sono stati sostenuti dalla Fondazione II-VI e la concessione di valorizzazione professionale Carolina costiero. Vorremmo anche riconoscere Corrine Jacobs, Marek Jendrassak e William Merchant per aiutare con la messa a punto sperimentale.
....Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Lenti ottiche | CVI LASER OPTICS | Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV | Altre aziende ottiche sono accettabili. Lenti sferiche e ciclindrali per la generazione di fogli di luce PIV. |
| Obiettivo della fotocamera per PIV | Nikon | Nikkor 105mm f/2D | Altre aziende di obiettivi della fotocamera sono accettabili. Obiettivo della fotocamera per l'imaging PIV. |
| Obiettivo della fotocamera per | Nikon | Nikkor 50mm f/1.8D | Altre aziende di obiettivi per fotocamere sono accettabili. Obiettivo della fotocamera per l'imaging ad alta velocità. |
| Laser pulsato a doppia testa | Quantel | EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz | Altre aziende di laser sono accettabili. Laser pulsato a doppia testa per PIV: Nd:YAG |
| LED line light | Gardasoft Vision, Ltd. | VLX2 LED Line Lighting - Verde - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04 | Altre aziende sono accettabili. Luce di linea per LED. |
| Particelle di semina/traccianti PIV | Potters Industries | Sfere di vetro cave sferiche: diametro medio 11 mm | Altre aziende sono accettabili. Telecamera |
| correlazione incrociata CCD | TSI, Inc. | POWERVIEW 11M: CCD, doppia esposizione, 4008x2672 pixel @ 4,2 Hz con gamma dinamica a 12 bit | Altre aziende sono accettabili. Telecamera CCD a doppia esposizione per imaging PIV. |
| Telecamera ad alta velocità | Photron | FASTCAM SA3; Modello 60K: 1024x1024 pixel @ 1kHz | Altre aziende sono accettabili. Fotocamera CMOS per l'imaging ad alta velocità. |
| Sincronizzatore | TSI, Inc. | SINCRONIZZATORE LASERPULSE 610036 | Altre aziende sono accettabili. Sincronizza l'acquisizione della telecamera PIV e del laser. |
| Obiettivo di calibrazione | TSI, Inc. | Altre aziende sono accettabili. Target di precisione per la calibrazione dell'immagine. |
Riferimenti
- Maxey, M. R. The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields. Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).
- Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Ristampe e permessi
