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

L'obiettivo generale di questo esperimento è utilizzare la stampante 3D per fabbricare particelle di svariate forme e misurare il loro moto in un flusso turbolento. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nella dinamica dei fluidi, come ad esempio come le particelle ruotano e si allineano nei flussi fluidi turbolenti. Il suo principale vantaggio consiste nella possibilità di effettuare misurazioni temporali precise e risolte nel tempo delle orientazioni di particelle con forme complesse, che non sarebbero state ottenibili con metodi precedenti.

Questo metodo ha permesso di ottenere informazioni sul moto di dischi e sfere in condizioni di turbolenza, e può essere utilizzato per misurare la dinamica di particelle con forme complesse in molte altre situazioni. In generale, coloro che si avvicinano per la prima volta a questo metodo incontreranno difficoltà nella calibrazione della telecamera 3D e nell'adattamento dell'algoritmo di rilevamento dell'orientamento alle particelle specifiche utilizzate. A illustrare la procedura sarà Guy Marcus, che ha eseguito gli esperimenti originali con croci e jacks.

Iniziare utilizzando un software di progettazione assistita dal computer per creare modelli di particelle da stampare. Per creare una triade utilizzando AutoCAD, utilizzare prima il comando cerchio per disegnare un cerchio con un diametro di 0,3 millimetri. Successivamente, utilizzare il comando estrudi per realizzare un cilindro lungo tre millimetri.

Cilindri di queste dimensioni costituiscono i mattoni costitutivi delle particelle. Utilizzare ora il comando di rotazione e selezionare l'asse di rotazione lungo l'asse X, con un angolo di rotazione di 90 gradi. Regolare la vista per lasciare spazio sufficiente per lavorare con altri cilindri.

Successivamente, crea una copia del cilindro che formerà il secondo braccio della triade. All'estremità di questo cilindro, applica il comando di rotazione 3D con l'asse di rotazione lungo l'asse Z. Ruota il cilindro di 120 gradi per la triade.

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

Quindi, ruotare l'oggetto in modo che nessun cilindro sia allineato lungo l'asse verticale o orizzontale. Quando tutti i bracci sono in posizione, selezionarli tutti e utilizzare il comando di unione per unirli in un singolo oggetto. Salvare il file in un formato adatto alla stampa 3D.

Creare le altre particelle da utilizzare nell'esperimento seguendo passaggi simili. Oltre alla triade, esistono la croce composta da due cilindri ortogonali con un centro comune, il jack composto da tre cilindri mutuamente ortogonali con un centro comune, e la tetrad in cui i cilindri condividono un'estremità comune e sono disposti a angoli di 109,5 gradi l'uno rispetto all'altro. Far stampare circa 10.000 unità per ciascun tipo di particella in modalità ad alta risoluzione.

Prepararsi a conservare le particelle stampate in una soluzione in cui siano galleggianti in modo neutro. A tale scopo, utilizzare una soluzione di cloruro di calcio e circa 1.600 litri di acqua alla densità di galleggiamento neutro. Rimuovere circa un litro della soluzione per conservare ciascun 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 prodotte industrialmente. Arrivano incapsulate in una resina utilizzata come materiale di supporto.

Liberare le particelle spezzando delicatamente le parti grandi in sezioni più piccole. Lavorare su ciascuna sezione massaggiandola manualmente finché non si stacchi gran parte della resina in eccesso. Questo renderà più semplici i passaggi successivi.

Per pulire ulteriormente le particelle, preparare una soluzione al 10% in massa di idrossido di sodio in un becher. Successivamente, inserire alcune particelle e i residui della loro incamiciatura in resina nel becher per rimuovere la resina. Posizionare il becher con la soluzione in un bagno ad ultrasuoni.

Mantenere le particelle nel bagno ultrasonico per un'ora inizialmente, quindi per altri trenta minuti dopo il risciacquo. Per recuperare le particelle, preparare un secondo becher per raccogliere la soluzione di idrossido di sodio proveniente dal bagno e un filtro. Al termine dei passaggi di pulizia ad ultrasuoni, utilizzare i guanti per rimuovere il becher dal bagno e versare il contenuto attraverso il filtro nel secondo becher.

Risciacquare le particelle prima di trasferirle nella soluzione con densità abbinata in cui verranno immerse per prevenire deformazioni. Queste sono particelle che sono state separate dalla loro resina, pulite nel bagno ad ultrasuoni e ora sono pronte per essere colorate in modo da fluorescere alla luce del laser verde. Per colorare le particelle, utilizzare una soluzione di un litro di colorante Rodamina-B in acqua e posizionarla su un piastra riscaldante.

Riscaldare il colorante a 80 gradi Celsius per il materiale di questa particella. Riempire leggermente un contenitore piccolo con particelle provenienti dallo stoccaggio. Si tratterà di circa 2.500 particelle.

Aggiungere le particelle alla soluzione colorante e mantenere la temperatura durante l'immersione. Dopo circa due o tre ore, rimuovere la soluzione e le particelle dal riscaldamento. Utilizzare un filtro a rete e un contenitore separato per separare le particelle dalla soluzione.

Attenzione a non danneggiarli mentre sono morbidi a causa del calore. Successivamente, risciacquare attentamente le particelle per rimuovere il colorante in eccesso. Al termine, conservarle nella soluzione a galleggiamento neutro fino al momento in cui saranno necessarie per l'esperimento.

L'esperimento si svolgerà in un serbatoio con telecamere posizionate per registrare le particelle al centro del flusso. Questo schema fornisce una panoramica della configurazione del serbatoio, che presenta una sezione trasversale ottagonale, griglie oscillanti utilizzate per generare un flusso turbolento, il volume di misura e le posizioni delle telecamere. Utilizzare un minimo di quattro telecamere per garantire l'accuratezza nella misurazione dell'orientamento.

Ogni fotocamera dovrebbe avere una risoluzione di almeno un megapixel a 450 fotogrammi al secondo ed essere collegata a un computer dedicato. Posizionare le fotocamere con angoli ampi tra ciascuna di esse e assicurarsi che tutte siano focalizzate sul volume di misura desiderato. Per ridurre al minimo la distorsione ottica, nel serbatoio vengono inseriti dei portelli di osservazione perpendicolari alla direzione di visione delle fotocamere.

Successivamente, posizionare una maschera di calibrazione dell'immagine nel volume di misura della vasca. Questo consentirà l'analisi dei dati sperimentali raccolti dalle telecamere. Per simulare le condizioni sperimentali, iniziare a riempire la vasca con la soluzione a galleggiamento neutro.

Quando il serbatoio è pieno, posizionare le luci per illuminare la maschera. Successivamente, tornare a lavorare con le telecamere. Mettere a fuoco ciascuna telecamera sullo stesso punto della maschera, quindi acquisire e memorizzare le immagini per la calibrazione.

Dopo aver svuotato il serbatoio, continuare a preparare l'esperimento posizionando un laser a granato di ittrio e neodimio. Disporre un divisore del fascio in modo da indirizzare parte del fascio laser verso uno specchio. La luce proveniente dallo specchio passa attraverso lenti che formano un fascio cilindrico ed entra nel serbatoio.

All'altro lato del serbatoio, posizionare uno specchio per riflettere la luce laser in uscita riportandola lungo il percorso originale. Utilizzare l'altro fascio proveniente dal divisore di traiettoria e una disposizione simile di specchi e lenti per creare un fascio di forma cilindrica perpendicolare al primo, come mostrato nello schema in vista dall'alto. Gli specchi in corrispondenza dei quali i fasci escono contribuiscono a creare un'illuminazione più uniforme.

Quindi, ispezionare il serbatoio riempito con soluzione neutra di cloruro di calcio a galleggiamento neutro disgassata. Prima di procedere, assicurarsi che le telecamere e il software di acquisizione dati siano pronti. Prepararsi ad aggiungere al serbatoio le circa 10.000 tetradi preparate per questo esperimento.

Spostarli in posizione vicino all'apertura nella parte superiore del serbatoio. Quando pronto, aprire l'apertura e aggiungere le particelle all'acqua nel serbatoio. Chiudere l'apertura una volta aggiunte tutte le particelle.

Successivamente, passare al laser. Accenderlo e aprire il diaframma 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 permettere allo sviluppo completo della turbolenza. A quel punto, iniziare l'acquisizione dei dati e registrare circa un milione di fotogrammi. Al termine della prova, interrompere la raccolta dei dati e chiudere l'apertura del laser.

Dopo aver eseguito tutti gli esperimenti, spostarsi all'uscita della vasca. In questo punto, posizionare un filtro per rimuovere le particelle dalla soluzione e svuotare la vasca. Conservare le particelle raccolte nella soluzione a galleggiamento neutro per un uso successivo.

Eseguire l'analisi dei dati sulle immagini registrate utilizzando un software per determinare la posizione e l'orientamento della particella. I seguenti passaggi vengono implementati nel software. A partire da quattro immagini sincrone di una particella acquisite dalle quattro telecamere, utilizzare le informazioni bidimensionali per determinarne la posizione tridimensionale.

Proiettare un modello numerico tridimensionale della particella illuminata su ciascuna telecamera utilizzando i parametri di calibrazione della telecamera. Questo crea un modello bidimensionale dell'intensità luminosa proveniente dalla particella su tutte e quattro le telecamere. Successivamente, eseguire una procedura di adattamento non lineare ai minimi quadrati per trovare l'orientamento del modello che meglio si adatta a quanto osservato su tutte e quattro le telecamere.

Combina le informazioni provenienti da tutte e quattro le telecamere per minimizzare la differenza tra il modello proiettato su ciascuna telecamera e la particella osservata. Questi passaggi verranno eseguiti per tutti i fotogrammi in cui sono presenti particelle visibili a tutte le telecamere. Questo rappresenta l'evoluzione di una tetrad in posizione e orientamento.

Si noti il cambiamento discontinuo nell'orientamento dei bracci della tetrade, che è possibile in assenza di protezioni. Questa seconda versione dell'evoluzione della tetrade mostra che il software garantisce che gli angoli dell'oliatore per ogni fotogramma siano la rotazione minima rispetto al fotogramma precedente. Le informazioni relative alla posizione e all'orientamento vengono salvate per un uso successivo.

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

Nell'esperimento, l'algoritmo di rilevamento dell'orientamento viene utilizzato per ottenere l'evoluzione degli angoli dell'oiler lungo l'intera traiettoria di ogni particella. Si tratta di una ricostruzione della traiettoria completa di un tetraedro attraverso il volume osservato. Questo risultato si ottiene combinando l'orientamento e le coordinate tridimensionali della particella per ciascun fotogramma in cui essa è visibile da tutte e quattro le telecamere.

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

I quadrati rossi rappresentano i dati per le croci. I cerchi blu rappresentano i dati per i giunti a croce. La linea continua mostra il risultato della simulazione numerica di sfere, che corrisponde molto bene ai dati sperimentali.

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

Al termine di questa procedura, altri metodi come il tracciamento di particelle marcatrici possono essere utilizzati per misurare come le particelle stampate in 3D rispondono al tensore completo del gradiente di velocità nel flusso circostante. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come utilizzare particelle anisotrope per estrarre informazioni sul tensore del gradiente di velocità da un flusso turbolento, impiegando quattro immagini video stereoscopiche. Non dimenticare che lavorare con il colorante Rodamina-B e l'idrossido di sodio può essere pericoloso, e si dovrebbero sempre adottare precauzioni come l'uso di guanti e occhiali protettivi durante l'esecuzione di questa procedura.