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

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di utilizzare la stampante 3D per fabbricare particelle di un'ampia varietà di forme e misurare il loro movimento in un flusso turbolento. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nella fluidodinamica, come il modo in cui le particelle ruotano e si allineano in flussi di fluidi turbolenti. Il suo vantaggio principale è che consente misurazioni precise risolte nel tempo degli orientamenti di particelle con forme complesse che non potevano essere ottenute con i metodi precedenti.

Questo metodo ha fornito informazioni sul movimento di dischi e sfere in turbolenza e può essere utilizzato per misurare la dinamica di particelle con forme complesse in molte altre situazioni. In generale, le persone che non conoscono questo metodo avranno difficoltà con la calibrazione della fotocamera 3D e l'adattamento dell'algoritmo di ricerca dell'orientamento a specifiche particelle specifiche utilizzate. Ad aiutare a dimostrare la procedura sarà Guy Marcus, che ha eseguito gli esperimenti originali con croci e martinetti.

Inizia utilizzando il software di progettazione assistita da computer per creare modelli di particelle per la stampa. Per creare una terna utilizzando AutoCAD, utilizzare innanzitutto il comando cerchio per disegnare un cerchio con un diametro di 0,3 millimetri. Quindi, utilizzare il comando di estrusione per creare un cilindro lungo tre millimetri.

Cilindri di queste dimensioni sono gli elementi costitutivi delle particelle. Ora usa il comando di rotazione e seleziona l'asse di rotazione in modo che sia lungo l'asse X e l'angolo di rotazione in modo che sia di 90 gradi. Regolare la vista per consentire lo spazio necessario per lavorare con altri cilindri.

Successivamente, fai una copia del cilindro che sarà il secondo braccio della triade. Alla fine di questo cilindro, applicare il comando di rotazione 3D con l'asse di rotazione lungo l'asse Z. Ruotare il cilindro di 120 gradi per la triade.

Spostare il cilindro ruotato in posizione per formare un braccio della triade. I centri delle estremità del cilindro devono coincidere. Realizzare e posizionare il terzo braccio allo stesso modo.

Quindi, ruotare l'oggetto in modo che nessun cilindro punti lungo l'accesso verticale o orizzontale. Quando tutti i bracci sono in posizione, selezionali tutti e usa il comando di unione per unirli in un unico oggetto. Salva il file in un formato per la stampa 3D.

Crea le altre particelle da utilizzare nell'esperimento seguendo passaggi simili. Oltre alla triade, c'è la croce composta da due cilindri ortogonali con un centro comune, il martinetto costituito da tre cilindri reciprocamente ortogonali con un centro comune, e la tetrade in cui i cilindri condividono un'estremità comune, e sono ad angoli di 109,5 gradi l'uno rispetto all'altro. Avere circa 10.000 di ogni tipo di particella stampati in modalità ad alta risoluzione.

Preparati a conservare le particelle stampate in una soluzione in cui sono neutre. Per questo, utilizzare una soluzione di cloruro di calcio e circa 1.600 litri di acqua alla densità di galleggiamento neutra. Rimuovere circa un litro di soluzione per conservare ogni tipo di particella.

Portare il litro di soluzione sul banco e iniziare a lavorare con le particelle. Le particelle utilizzate in questo esperimento sono state stampate commercialmente. Arrivano racchiusi in resina utilizzata come materiale di supporto.

Libera le particelle rompendo delicatamente i pezzi grandi in piccole sezioni. Lavora con ogni sezione per massaggiarla manualmente fino a quando gran parte della resina in eccesso non si stacca. In questo modo saranno più facili i passaggi successivi.

Per pulire ulteriormente le particelle, preparare una soluzione al 10% in massa di idrossido di sodio in un becher. Successivamente, posiziona alcune particelle e ciò che rimane della loro resina involucrato nel becher per rimuovere la resina. Spostare il becher con la soluzione in un bagno ad ultrasuoni.

Conservare le particelle nel bagno a ultrasuoni inizialmente per un'ora, quindi un'ulteriore mezz'ora dopo il risciacquo. Per recuperare le particelle, preparare un secondo becher per ricevere la soluzione di idrossido di sodio dal bagno e un filtro. Al termine delle fasi di pulizia a ultrasuoni, utilizzare i guanti per rimuovere il becher dal bagno e versare il contenuto attraverso il filtro nel secondo becher.

Sciacquare le particelle prima di spostarle nella soluzione a densità corrispondente dove verranno immerse per evitare deformazioni. Si tratta di particelle che sono state liberate dalla loro resina, pulite nel bagno a ultrasuoni e ora sono pronte per la tintura per essere emesse in fluorescenza sotto la luce laser verde. Per tingere le particelle, utilizzare una soluzione da un litro di colorante rodamina-B in acqua e posizionarla su una piastra calda.

Riscalda il colorante a 80 gradi Celsius per il materiale di questa particella. Riempi liberamente un piccolo contenitore con le particelle della conservazione. Si tratterà di circa 2.500 particelle.

Aggiungere le particelle alla soluzione colorante e mantenere la temperatura mentre sono immerse. Dopo circa due o tre ore, togliete la soluzione e le particelle dal fuoco. Utilizzare una rete e un contenitore separato per filtrare le particelle dalla soluzione.

Fai attenzione a non danneggiarli mentre sono morbidi per il calore. Quindi, sciacquare accuratamente le particelle per rimuovere la tintura in eccesso. Al termine, conservali nella soluzione di galleggiamento neutro fino a quando non sono necessari per l'esperimento.

L'esperimento si svolgerà in una vasca con telecamere posizionate per registrare le particelle al centro del flusso. Questo schema fornisce una panoramica della configurazione del serbatoio, che ha una sezione trasversale ottagonale, griglie oscillanti utilizzate per creare il flusso turbolento, il volume di misurazione e le posizioni della telecamera. Utilizzare un minimo di quattro telecamere per la precisione della misurazione dell'orientamento.

Ogni telecamera deve avere una risoluzione di almeno un megapixel a 450 fotogrammi al secondo ed essere collegata a un computer dedicato. Posizionare le telecamere con ampi angoli tra due di esse e assicurarsi che siano tutte a fuoco sul volume di misurazione desiderato. Per ridurre al minimo la distorsione ottica, nel serbatoio sono integrate porte di visualizzazione perpendicolari alla direzione di visualizzazione della telecamera.

Quindi, posizionare una maschera di calibrazione dell'immagine nel volume di misurazione del serbatoio. Ciò consentirà l'analisi dei dati sperimentali raccolti dalle telecamere. Per simulare le condizioni sperimentali, iniziare a riempire il serbatoio con la soluzione di galleggiamento neutro sfuso.

Quando il serbatoio è pieno, posiziona delle luci per illuminare la maschera. Quindi, torna a lavorare con le fotocamere. Metti a fuoco ciascuna fotocamera sullo stesso punto della maschera, quindi acquisisci e memorizza le immagini per la calibrazione.

Dopo aver svuotato il serbatoio, continuare a impostare l'esperimento posizionando un laser al granato di alluminio ittrio al neodimio. Predisporre un divisore di raggio per dirigere parte del raggio laser verso uno specchio. La luce passa dallo specchio attraverso le lenti che formano un fascio cilindrico e entra nel serbatoio.

Sul lato opposto del serbatoio, posiziona uno specchio per riflettere la luce laser in uscita lungo il suo percorso. Utilizzare l'altra uscita del divisore di fascio e una disposizione simile di specchi e lenti per creare un fascio cilindrico perpendicolare al primo come in questo schema di vista dall'alto. Gli specchi da cui escono i raggi contribuiscono a creare un'illuminazione più uniforme.

Quindi, ispezionare il serbatoio che è riempito con una soluzione di cloruro di calcio a galleggiamento neutro degassata. Prima di procedere, assicurarsi che le telecamere e il software di acquisizione dati siano pronti. Preparatevi ad aggiungere alla vasca le circa 10.000 tetrade che sono state preparate per questo esperimento.

Spostali in posizione vicino alla porta nella parte superiore del serbatoio. Quando sei pronto, apri la porta e aggiungi le particelle all'acqua nel serbatoio. Chiudere la porta una volta aggiunte tutte le particelle.

Quindi, passa al laser. Lì, accendilo e apri l'apertura del laser. Quindi utilizzare i controlli della griglia per avviare l'oscillazione della griglia a tre hertz.

Nel serbatoio, lasciare oscillare la griglia per circa un minuto per consentire alla turbolenza di svilupparsi completamente. A quel punto, inizia l'acquisizione dei dati e registra circa un milione di fotogrammi. Al termine della corsa, interrompere la raccolta dei dati e chiudere l'apertura del laser.

Dopo aver eseguito tutti gli esperimenti, spostarsi all'uscita del serbatoio. Lì, posiziona un filtro per rimuovere le particelle dalla soluzione e svuota il serbatoio. Conservare le particelle raccolte nella soluzione neutra di galleggiamento per un uso successivo.

Eseguire l'analisi dei dati sulle immagini registrate utilizzando il software per trovare la posizione e l'orientamento delle particelle. I seguenti passaggi sono implementati nel software. Partendo da quattro immagini sincrone di una particella catturate dalle quattro telecamere, utilizza le informazioni bidimensionali per determinare la sua posizione tridimensionale.

Proietta un modello numerico tridimensionale della particella illuminata su ciascuna fotocamera utilizzando i parametri di calibrazione della fotocamera. Questo crea un modello bidimensionale dell'intensità della luce dalla particella su tutte e quattro le fotocamere. Quindi, esegui una routine di adattamento dei minimi quadrati non lineare per trovare l'orientamento del modello che meglio si adatta a ciò che viene visualizzato su tutte e quattro le fotocamere.

Combina le informazioni provenienti da tutte e quattro le telecamere per ridurre al minimo la differenza tra il modello proiettato su ciascuna telecamera e la particella osservata. Questi passaggi verranno eseguiti per tutti i fotogrammi che hanno particelle in vista di tutte le fotocamere. Questa è l'evoluzione di una tetrade in posizione e orientamento.

Si noti il cambiamento discontinuo nell'orientamento dei bracci della tetrade, che è possibile avere senza protezioni. Questa seconda versione dell'evoluzione della tetrade mostra che il software garantisce che gli angoli dell'oliatore per ogni telaio siano la rotazione più piccola rispetto al telaio precedente. Le informazioni sulla posizione e sull'orientamento vengono salvate per un uso successivo.

Questa è un'immagine fotografica di una tetrade nell'esperimento. Nella seconda immagine, il modello sovrapposto indica l'orientamento trovato dall'algoritmo. Nonostante la semplicità del modello bidimensionale di intensità, il metodo produce misurazioni accurate dell'orientamento delle particelle.

Nell'esperimento, l'algoritmo di ricerca dell'orientamento viene utilizzato per ottenere l'evoluzione degli angoli dell'oliatore lungo l'intera traiettoria di ogni particella. Questa è una ricostruzione della traiettoria completa di una tetrade attraverso il volume di osservazione. Ciò si ottiene combinando l'orientamento e le coordinate tridimensionali della particella per ogni fotogramma in cui è vista da tutte e quattro le telecamere.

La lunghezza della traccia è di 229 fotogrammi. Si noti che la particella non è disegnata in scala. I dati consentono anche di determinare la funzione di densità di probabilità del tasso di caduta misurato.

I quadrati rossi sono i dati per le croci. I cerchi blu sono i dati per i jack. La linea continua rappresenta il risultato della simulazione numerica delle sfere, che corrisponde molto bene ai dati sperimentali.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in tre giorni se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante lasciare le particelle un paio d'ore nelle soluzioni di diversa densità. È inoltre essenziale assicurarsi che le telecamere siano correttamente allineate, fissate e sincronizzate per tutta la durata dell'esperimento.

Seguendo questa procedura, è possibile utilizzare altri metodi come il tracciamento delle particelle traccianti per misurare il modo in cui le particelle stampate in 3D rispondono al tensore del gradiente di velocità completo nel flusso circostante. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come utilizzare le particelle anisotrope per estrarre informazioni sul tensore del gradiente di velocità dal flusso turbolento utilizzando quattro immagini video stereoscopiche. Non dimenticare che lavorare con il colorante rodamina-B e l'idrossido di sodio può essere pericoloso e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni come guanti e occhiali.