Tridimensionale Velocimetry monitoraggio di particelle per applicazioni Turbulence: caso di flusso Jet

Gli obiettivi di questo esperimento sono la messa a punto e l'ottimizzazione di un sistema di velocimetria di tracciamento delle particelle per applicazioni di turbolenza e il suo utilizzo per studiare il flusso dei getti. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della turbolenza utilizzando la descrizione lagrangiana del flusso. Il vantaggio principale di questa tecnica è la sua capacità di tracciare un ampio insieme di particelle nel tempo e nello spazio.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni su una turbolenza e su un sistema di riferimento lagrangiano, può essere applicato ad altre applicazioni, come il motion capture o il motion tracking. L'impostazione di questo esperimento è per lo studio del campo di flusso intermedio di un getto a tubo. Questo serbatoio riempito d'acqua ha al suo interno un canale per creare un getto del diametro di un centimetro.

Questo schema fornisce una panoramica della configurazione prima dell'aggiunta di apparecchiature per la velocimetria tridimensionale di tracciamento delle particelle. Per prepararsi al tracciamento delle particelle, identificare una regione di studio, il volume di interrogazione. In questo esperimento si tratta di un cubo con le facce parallele a quelle del volume maggiore e il punto più vicino a 15 centimetri dalla fine del canale.

Una volta scelto il volume di interrogazione, inizia con il posizionamento dello specchio primario. Lo specchio è a forma di piramide e montato su un palo di montaggio verticale lungo il lato della vasca sperimentale. Fai scorrere lo specchio lungo il palo per livellarlo con il centro del volume dell'interrogatorio, quindi fissalo in posizione.

Quindi, montare la fotocamera dietro lo specchio primario. Impostare il centro dell'immagine della telecamera in modo che coincida con il centro dello specchio primario. Ora passa al computer per verificare la sua connessione con la fotocamera.

Continuare configurando l'interfaccia tra la fotocamera e il software di registrazione. Inizia con la vista della telecamera dello specchio primario e dei suoi dintorni. Utilizzare l'impostazione della regione di interesse del software per regolare la larghezza e l'altezza della visuale della telecamera in modo da coprire solo lo specchio principale.

Il passo successivo consiste nel posizionare un bersaglio di calibrazione nel serbatoio per impostare gli specchi secondari. Questo target è progettato su misura per comprendere l'intero volume di interrogazione. Il bersaglio ha punti target di un millimetro di diametro per la calibrazione.

Per prima cosa, posiziona una piattaforma regolabile in altezza nel carro armato per sostenere il bersaglio. Posizionare il target di calibrazione sulla piattaforma e orientarlo in modo che sia rivolto verso la telecamera. Regolare l'altezza della piattaforma in modo che corrisponda al centro del target di calibrazione con il centro del volume di calibrazione.

Procedi completando il divisore a quattro viste. Regolare la posizione dello specchio primario in modo che catturi l'intero volume di interrogazione. Gli specchietti secondari sono montati su montanti di montaggio verticali su entrambi i lati dello specchio primario.

Montare ogni specchio secondario in modo che sia approssimativamente allineato con la telecamera view dal lato più vicino dello specchio primario. Fissare lo specchio secondario in posizione. La disposizione finale dovrebbe essere geometricamente simmetrica rispetto allo specchio primario.

Usa un puntatore laser e indirizzalo a sua volta su uno specchio per visualizzare il percorso dell'immagine. Effettua le regolazioni finali allo specchio secondario utilizzando il percorso del raggio come guida in modo che la vista comprenda l'intero target di calibrazione. Ripetere la visualizzazione del percorso dell'immagine e apportare le regolazioni per ciascuno degli specchi secondari rimanenti.

Dopo che tutti gli specchi sono stati regolati, monitorare le immagini secondarie della vista della telecamera. Al computer, osservare la visuale delle immagini da parte della telecamera. In corrispondenza del divisore di visualizzazione, spostare uno degli specchi secondari per esaminare la sovrapposizione delle immagini secondarie.

Se solo una vista cambia mentre lo specchio si muove, la sovrapposizione è trascurabile. Con lo splitter a quattro vie in posizione, spegni la fotocamera e passa a lavorare con l'illuminazione. Posizionare le sorgenti luminose direttamente di fronte al volume di interrogazione dall'alto.

In questo esperimento, una lente d'ingrandimento viene posizionata direttamente sotto le sorgenti luminose per migliorare l'intensità della luce. Accendi le sorgenti luminose e controlla visivamente che la luce sia distribuita uniformemente su tutto il volume dell'interrogatorio. Inizia a ottimizzare la configurazione tornando a lavorare con la fotocamera.

Regolare la messa a fuoco dell'obiettivo fino a quando il riflesso attraverso lo specchio primario non è messo a fuoco allo stesso modo in tutte e quattro le viste degli specchi secondari. Assicurarsi che le immagini dello splitter di visualizzazione siano simmetriche e mostrino il volume di interrogazione. Passa a regolare l'f-stop per essere in grado di catturare sia il punto più vicino che quello più lontano sul target di calibrazione.

La telecamera catturerà solo le particelle traccianti nel volume di interrogatorio. A questo punto, passare al software di registrazione. Imposta la frequenza fotogrammi desiderata.

Per questo esperimento vengono utilizzati 550 Hertz. Quindi massimizza la sensibilità alla luce in base al frame rate scelto. A questo punto, prepararsi a scattare immagini di calibrazione del target di calibrazione.

Attacca una torcia a LED al serbatoio direttamente sopra il bersaglio per l'illuminazione. Acquisisci diverse immagini del bersaglio tramite lo splitter a quattro viste per le successive fasi di calibrazione. Al termine, rimuovere il target di calibrazione, il supporto di supporto e la luce per iniziare a regolare l'illuminazione.

Preparare una piccola quantità di particelle di semina per ottimizzare l'illuminazione. Prendi un piccolo bicchiere contenente acqua e aggiungi le particelle di semina. Attendi che le particelle si diffondano.

Le particelle sono sfere cave di ceramica rivestite d'argento da 100 micrometri. Versare il composto nel serbatoio per ottimizzare l'illuminazione e le impostazioni della fotocamera. Continua con le luci della stanza spente e le fonti di luce accese.

Sul computer, monitorare la vista della telecamera dal vivo dello specchio primario e controllare l'illuminazione in ciascuna vista osservando la differenza di densità delle particelle tra le viste. La geometria in questo esperimento fa sì che i due specchi superiori ricevano meno luce. Durante l'installazione, rimediare a questo problema aggiungendo uno specchio piatto sotto la fonte di luce sul fondo del serbatoio.

Sotto le sorgenti luminose questa aggiunta aiuta a ridurre la variazione nella vista. Alla fotocamera, regolare il guadagno e i livelli di nero, ciascuno nell'intervallo da zero a 500 circa. L'obiettivo è quello di catturare meglio la dispersione della luce dalle particelle.

In questa sequenza, vengono confrontate tre immagini fisse che utilizzano diversi livelli di guadagno e nero. In questo esperimento è stata utilizzata un'impostazione di guadagno di 300 e un'impostazione del nero di 500. Spegni le fonti di luce e accendi l'illuminazione della stanza.

Al computer aprire il software per la velocimetria di tracciamento delle particelle. L'idea è quella di caricare una delle immagini di calibrazione scattate in precedenza. Utilizzare il software per dividere questa immagine in quattro sotto-immagini indipendenti che corrispondono alle diverse viste speculari secondarie.

Salva ciascuna di queste immagini secondarie in un file diverso. Ogni immagine verrà utilizzata come se provenisse da una fotocamera separata. Procedere con i passaggi di calibrazione utilizzando i dati delle coordinate e i passaggi per più fotocamere.

Prepararsi per la raccolta dei dati accendendo le sorgenti luminose di velocimetria. Quindi, prendi le particelle di semina e aggiungile al serbatoio. Attendere che il flusso in stato stazionario si sviluppi nel sistema.

Con le luci della stanza spente, monitora la vista della telecamera per verificare la corretta densità di semina delle particelle come in questo video rallentato del flusso del getto. Quando sei soddisfatto, registra il numero desiderato di immagini del flusso. Dopo che i dati sono stati raccolti, iniziare l'elaborazione dei dati dividendo le immagini raccolte in quattro sottoimmagini e memorizzandole.

Fatto ciò, viene visualizzata la schermata PTV aperta con le opzioni di menu nella parte superiore e un display per le diverse viste della telecamera sulla destra. Passa alla scheda iniziale nelle voci di menu e fai clic per visualizzare le opzioni. Fare clic su Riavvia immagine per caricare le quattro viste della fotocamera della prima immagine raw nei dati.

Spostare il cursore del mouse sulla directory di esecuzione e fare clic su di essa. Da lì fai clic sui parametri principali. Nella nuova finestra vai alla scheda generale.

Immettere il numero di telecamere, in questo caso quattro. Continuare a inserire i parametri nelle altre schede. Al termine, spostare il mouse per fare clic sulla voce di menu di pre-elaborazione.

Lì fare clic su filtro passa-alto. Il risultato è quello di intensificare la diffusione della luce nelle quattro immagini. Sempre sotto la voce di menu di pre-elaborazione, trova e fai clic su rilevamento particelle per determinare il baricentro di ciascuna particella rilevata.

Quindi, di nuovo sotto la voce di menu di pre-elaborazione, fare clic su corrispondenze per stabilire le corrispondenze stereoscopiche. Quindi, passa alla voce di menu Posizioni 3D. Sotto di esso, selezionare le posizioni 3D per determinare la posizione tridimensionale delle particelle rilevate in base alla calibrazione.

Nella voce di menu della sequenza, trova e fai clic su sequenza senza display per ripetere i passaggi di pre-elaborazione per tutte le sequenze di immagini raccolte. A questo punto, inserisci i parametri da utilizzare per identificare le particelle da tracciare. Continua selezionando la voce di menu di tracciamento.

Da qui scegli il tracciamento senza visualizzazione per correlare i fotogrammi adiacenti. E scegli le particelle rilevate per visualizzare le particelle ricostruite in 3D. Al termine del tracciamento, vai alla voce di menu del monitoraggio e selezionala.

Fare clic su Mostra traiettorie per visualizzare le traiettorie in ciascuna vista dell'inquadratura. Ciascuna delle viste della telecamera ora ha le traiettorie delle particelle rappresentate. Inoltre, è stato creato un file di dati per la post-elaborazione.

Questo è un campione di tre traiettorie rappresentative di particelle nella regione del campo intermedio attorno al piano a 16 volte il diametro del getto del tubo. Quando la distanza dal nucleo del getto è piccola, si osservano traiettorie più lunghe nell'intervallo di tempo di un secondo di questi dati. All'aumentare della distanza dal nucleo del getto, la lunghezza della traiettoria diminuisce.

A tre volte il diametro del getto del tubo, le particelle traccianti mostrano traiettorie corte e complesse. Ecco tutte le traiettorie delle particelle ricostruite con successo che attraversano lo stesso piano. La distribuzione delle velocità varia da zero al 60% della velocità di uscita del getto.

Le basse velocità sono nell'intervallo blu dello spettro e le alte velocità sono nell'intervallo rosso. L'analisi rivela che le particelle vicino al nucleo del getto mostrano traiettorie più fluide. Il tracciamento delle particelle consente il calcolo della curvatura lungo la traiettoria delle particelle.

Questo è un grafico della curvatura media moltiplicata per il diametro del getto del tubo rispetto alla distanza radiale scalata per due piani. Uno a 16 e l'altro a 17 diametri del getto del tubo. Entrambi aumentano monotonamente, ma il piano più lontano dall'uscita del tubo ha una curvatura media ridotta all'esterno del nucleo del getto.

Questo grafico fornisce informazioni sulla distribuzione media della velocità di flusso dei getti nei 16 diametri del getto del tubo dell'aereo oltre l'uscita del tubo. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in sei ore se eseguita correttamente, escludendo il tempo di elaborazione utilizzando il software. Durante il tentativo di questa procedura è importante ricordare di avere un'illuminazione uniforme, le impostazioni corrette della fotocamera e una quantità sufficiente di particelle di semina.

Dopo aver visto questo video dovresti avere una buona comprensione di come impostare lo splitter di visualizzazione, assemblare la sorgente luminosa, controllare i parametri della telecamera e ottimizzare il sistema PTV. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della turbolenza per esplorare studi sperimentali nella dinamica dei flussi lagrangiani.