Name: Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: Scopri una tecnica ottica low-cost per misurare simultaneamente la turbolenza e la cinematica delle particelle sedimentarie nei flussi. Questo metodo PIV non intrusivo consente analisi dettagliate delle interazioni fluido-particella.

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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.

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</ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

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...

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, chiamate particelle di rilevamento (PT), che tiene traccia delle singole particelle traiettorie e la tecnica statistica di particle image velocimetry4,5 (PIV), utilizzato per misurare il flusso velocità, entrambi incorporano tecniche ottiche non intrusiva. La sfida principale nell'utilizzo di queste tecniche ottiche non intrusiva per misurare il flusso e la particella cinematica contemporaneamente è l'illuminazione separata richiesta per ogni tecnica di imaging che non può interferire con dell'altro misurazione precisione ( ad esempio, la fonte di illuminazione per la misura della cinematica delle particelle non può agire come una fonte di rumore significativo nella misurazione della velocità del fluido e viceversa). Il contrasto dell'immagine in entrambi gli insiemi di immagini deve essere sufficiente per ottenere risultati affidabili. Ad esempio, le immagini di PT sono convertite in immagini in bianco e nero al fine di eseguire un'analisi di blob per determinare le posizioni delle particelle; così, contrasto insufficiente porta a errori nella posizione della particella. Scarso contrasto pari a PIV immagini un basso rapporto segnale-rumore che causerà imprecisioni nella stima della velocità del fluido.
Qui, un relativamente basso costo e semplice metodo per misurare simultaneamente entrambe le velocità cinematica e flusso di particelle è descritto. Attraverso l'uso di una luce monocromatica ad alta potenza che emettono linea diodo (LED) luce, dove la linea si riferisce alla luce e laser ad alta intensità doppia testina, entrambe le particelle di interesse e il campo di flusso sono Imaging contemporaneamente nella stessa regione. L'alto potere del LED è sufficiente per l'imaging delle particelle (cingolate) dalla telecamera ad alta velocità ma non impatto le immagini PIV poiché l'intensità della luce sparso da traccianti PIV è troppo basso. Quando il laser ad alta intensità doppia testina illumina il campo di flusso per le immagini PIV, si verifica in un intervallo di tempo breve e queste immagini sono facilmente identificate e rimossi dalla serie tempo ottenuti dalla telecamera ad alta velocità PT quando vengono registrati. PIV laser impulsi registrati nel tempo immagini ad alta velocità (usato per particella di rilevamento) serie possono essere minimizzati eseguendo non i due sistemi al frame rate di acquisizione che sono commisurati a vicenda. Nelle configurazioni più avanzate, uno potrebbe innescare esternamente le telecamere PT e PIV con un ritardo che garantirebbe che questo non accade. Infine, da un'attenta considerazione della quantità di particelle rilevate nel PIV campo visivo (FOV), eventuali errori introdotti da queste particelle rilevate in analisi di correlazione di immagini PIV già si tiene conto per la stima dell'errore complessivo, compresi gli errori associati con distribuzione non uniforme di traccianti PIV all'interno della finestra di interrogatorio. La stragrande maggioranza dei PIV semina traccianti stanno seguendo il flusso, producendo le stime di velocità di flusso preciso. Queste tecniche consentono la misura diretta simultanea di entrambi la cinematica e flusso campo particella in un piano bidimensionale.
Questa tecnica è illustrata applicandolo per determinare delle particelle stabilirsi caratteristiche in un flusso turbolento, simile a quello utilizzato negli studi di Yang e timido6 e Jacobs et al. 7. sedimentazione delle particelle è la fase finale nel trasporto di sedimenti, che in genere consiste di sospensione dei sedimenti, trasporto e sedimentazione. Nella maggior parte degli studi precedente che hanno affrontato delle particelle stabilirsi in flussi turbolenti, o traiettorie delle particelle o turbolenta velocità non sono misurate direttamente ma dedotta teoricamente o modellato8,9,10. Dettagli sulle interazioni tra particelle e turbolenza più spesso sono stati studiati utilizzando modelli teorici e numerici a causa delle limitazioni sperimentali in misura entrambi contemporaneamente6,11. Presentiamo uno studio finalizzato di interazione particella-turbolenza in una struttura di griglia oscillante, dove si studiano la velocità di sedimentazione delle particelle e loro accoppiamento con turbolenza. Per chiarezza, in seguito si farà riferimento alle particelle sotto inchiesta come "particelle" e le particelle semina utilizzate per la tecnica PIV come "traccianti"; Inoltre, si farà riferimento alla fotocamera utilizzata per l'imaging ad alta velocità delle traiettorie delle particelle come il "rilevamento delle particelle", "PT" o "alta velocità" fotocamera, che misura "immagini ad alta velocità" e la fotocamera utilizzata per il metodo PIV "fotocamera PIV", che misura "immagini". Il metodo qui descritto consente la misura simultanea di particelle cinematica e dinamica dei fluidi sopra un campo pre-definito di interesse all'interno della struttura. I dati ottenuti forniscono una descrizione bidimensionale dell'interazione particella-turbolenza.

<table><tbody><tr><td>Lenti ottiche</td><td>CVI LASER OPTICS</td><td>Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV</td><td>Altre aziende ottiche sono accettabili. Lenti sferiche e ciclindrali per la generazione di fogli di luce PIV.</td></tr><tr><td>Obiettivo della fotocamera per PIV</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2D</td><td>Altre aziende di obiettivi della fotocamera sono accettabili. Obiettivo della fotocamera per l'imaging PIV.</td></tr><tr><td>Obiettivo della fotocamera per</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 50mm f/1.8D</td> ad alta velocità <td>Altre aziende di obiettivi per fotocamere sono accettabili. Obiettivo della fotocamera per l'imaging ad alta velocità.</td></tr><tr><td>Laser pulsato a doppia testa</td><td>Quantel</td><td>EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz</td><td>Altre aziende di laser sono accettabili. Laser pulsato a doppia testa per PIV: Nd:YAG</td></tr><tr><td>LED line light</td><td>Gardasoft Vision, Ltd.</td><td>VLX2 LED Line Lighting - Verde - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04</td><td>Altre aziende sono accettabili. Luce di linea per LED.</td></tr><tr><td>Particelle di semina/traccianti PIV</td><td>Potters Industries</td><td>Sfere di vetro cave sferiche: diametro medio 11 mm</td><td>Altre aziende sono accettabili. Telecamera</td></tr> di <tr><td>correlazione incrociata CCD</td> per particelle di semina PIV <td>TSI, Inc.</td><td>POWERVIEW 11M: CCD, doppia esposizione, 4008x2672 pixel @ 4,2 Hz con gamma dinamica a 12 bit</td><td>Altre aziende sono accettabili. Telecamera CCD a doppia esposizione per imaging PIV.</td></tr><tr><td>Telecamera ad alta velocità</td><td>Photron</td><td>FASTCAM SA3; Modello 60K: 1024x1024 pixel @ 1kHz</td><td>Altre aziende sono accettabili. Fotocamera CMOS per l'imaging ad alta velocità.</td></tr><tr><td>Sincronizzatore</td><td>TSI, Inc.</td><td>SINCRONIZZATORE LASERPULSE 610036</td><td>Altre aziende sono accettabili. Sincronizza l'acquisizione della telecamera PIV e del laser.</td></tr><tr><td>Obiettivo di calibrazione</td><td>TSI, Inc.</td><td></td><td>Altre aziende sono accettabili. Target di precisione per la calibrazione dell'immagine.</td></tr></tbody></table>

misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

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.

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...

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.

Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Numerosi campi sia in ingegneria che in scienze naturali comportano problemi associati all'interazione delle particelle fluide. Questo metodo fornisce una misurazione ottica simultanea relativamente a basso costo e non intrusiva sia delle traiettorie delle particelle che delle velocità di flusso. Qui misuriamo le velocità di sedimentazione delle particelle di sedimento in un flusso turbolento, consentendo una caratterizzazione dettagliata delle traiettorie delle particelle e misurando contemporaneamente velocità turbolente nella stessa posizione.Per iniziare la configurazione della velocimetria dell'immagine delle particelle, fissare un laser a impulsi ad alta intensità a doppia testa orizzontalmente su una piastra ottica, in linea con la struttura di flusso. Posizionare una lente cilindrica in linea con il laser per produrre un piano di luce 2D che sarà al di sotto della griglia oscillante. Quindi montare una lente sferica dopo la lente cilindrica a una distanza che genererà un foglio luminoso spesso da 5 a un millimetro.Quindi, posizionare una fotocamera CCD a doppia esposizione perpendicolarmente al foglio luminoso per registrare le immagini per PIV. Collegare un obiettivo alla

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