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

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 fotocamera, accenderlo e impostarlo in modalità libera e continua. Focalizzare grossolanamente la fotocamera PIV sulla turbolenta struttura di flusso.

Regolare l'apertura e la posizione della fotocamera fino a quando l'immagine non è più piccola o vicina ai limiti desiderati del foglio luminoso. Quindi spegnere la fotocamera e accendere il laser a bassa intensità. Verificare che la scheda luminosa sia perpendicolare al pavimento, quindi posizionare un bersaglio di calibrazione contrassegnato con una griglia esattamente al centro della scheda luminosa.

È essenziale assicurarsi che la fotocamera PIV sia perpendicolare al foglio luminoso e che il foglio luminoso sia perpendicolare al pavimento o al fondo della struttura. Il disallineamento si traducono in proiezioni di velocità errate, e quindi errore di velocità del fluido. Spegnere il laser e ria riass parte della fotocamera.

Mettere a fuoco la fotocamera sulla destinazione di calibrazione e acquisire una singola immagine. Aprire l'immagine nel software di elaborazione delle immagini e verificare che la spaziatura tra riga, altezza e colonna sia coerente in tutta la destinazione. Le dimensioni dei marcatori d'angolo dovrebbero differire di non più di un pixel e, idealmente, dovrebbero essere identiche.

Se l'immagine soddisfa questi criteri, rimuovere la destinazione di calibrazione. Installare la griglia ed eseguire la struttura. Quindi introdurre circa un cucchiaio pieno di particelle di tracciante PIV al fluido.

Attendere che i traccianti e il fluido siano ben miscelati prima di continuare. Quindi accendere il laser e impostarlo sul controllo esterno e sull'alta potenza. Spegnere le luci della stanza e acquisire una coppia di immagini per valutare la densità del tracciante.

Aumentare gradualmente la concentrazione di traccianti da cucchiaini pieni alla densità visiva desiderata. Quindi impostare la frequenza fotogrammi della fotocamera PIV sul valore più alto possibile e impostare il tempo tra le immagini PIV consecutive. Verificare che il laser sia configurato in modo appropriato.

Quindi spegni le luci e raccogli i dati in modalità libera per alcuni secondi. Correlare le coppie di immagini e confermare che i dati acquisiti sono di buona qualità. Interrompere l'oscillazione della griglia al termine.

Per iniziare a configurare il tracciamento delle particelle 2D, posizionare una luce di linea LED monocromatica sotto la struttura della griglia di oscillazione in modo che la scheda luminosa venga centrata all'interno della linea LED. Accendere la luce della linea LED e il laser a bassa potenza. Verificare che il foglio luminoso e la luce della linea siano ben allineati, quindi spegnerli.

Quindi collegare un obiettivo a una telecamera CMOS ad alta velocità da utilizzare per il tracciamento delle particelle. Accendere la fotocamera in modalità continua o live gratuita e focalirla grossolanamente sulla regione di interesse. Regolare l'altezza e la distanza dell'apertura della fotocamera di tracciamento delle particelle fino a quando la regione di interesse non è con il suo campo visivo e la fotocamera è livellata e perpendicolare alla luce della linea.

Spegni la fotocamera. Accendere la luce della linea e posizionare il bersaglio di calibrazione al centro della luce di linea. Quindi spegnere la luce della linea, accendere la fotocamera e focalizzare la destinazione.

Acquisire un'immagine della destinazione di calibrazione e verificare che la fotocamera di tracciamento delle particelle sia livellata, perpendicolare alla destinazione e messa a fuoco senza distorsioni dell'immagine ai bordi. Rimuovere il bersaglio di calibrazione in seguito. Quindi imposta il numero di immagini ad alta velocità da raccogliere.

In base alla velocità prevista delle particelle, impostare la frequenza fotogrammi e la risoluzione su valori che dovrebbero raggiungere lo spostamento delle particelle da tre a 10 pixel tra le immagini. Installare la griglia, accendere la luce della linea LED e scurire la stanza. Avviare l'oscillazione della griglia e introdurre una piccola porzione delle particelle di interesse nel flusso.

Quando le particelle appaiono sulla fotocamera ad alta velocità, cattura alcuni fotogrammi. È importante che le tracce di particelle siano chiaramente visibili nelle immagini, indicando che le particelle rimangono in piano e non si sovrappongono frequentemente. Il mancato rispetto di questi criteri comporterà l'incapacità di tracciare accuratamente le particelle.

Conferma che non ci sono effetti di ingresso visibili, la sovrapposizione delle particelle è poco frequente e il moto delle particelle è principalmente in piano. Interrompere l'oscillazione al termine. Per iniziare la calibrazione finale, con le luci oscurate posizionare il bersaglio di calibrazione all'interno dei fogli di luce a LED e laser.

Spegnere il laser e il LED e accendere le luci della stanza. Assicurarsi che la destinazione di calibrazione sia a fuoco all'interno dei FOV della fotocamera e abbia un segno univoco visibile a entrambe le telecamere. Acquisire un'immagine della destinazione di calibrazione su entrambe le fotocamere.

Si notino i posizionamenti rilevanti del segno univoco e si conferma che le telecamere sono ancora livellate e non mostrano alcuna distorsione intorno ai bordi. Quindi rimuovere la destinazione di calibrazione, installare la griglia e avviare l'oscillazione. Lasciare correre per almeno 20 minuti per consentire al flusso di raggiungere uno stato stazionario.

Quindi scurisci la stanza, accendi la luce della linea LED e introduci le particelle nel flusso. Avviare contemporaneamente gli impulsi laser e l'acquisizione di immagini per entrambi i sistemi quando le particelle appaiono nella telecamera di tracciamento delle particelle FOV. Al termine dell'acquisizione dei dati, salvare le immagini e interrompere l'oscillazione della griglia.

Analizzare la distribuzione della velocità del flusso e le traiettorie delle particelle. Le immagini PIV possono essere elaborate in distribuzioni istantanee di velocità e vorticità dei fluidi. Qui la distribuzione vettoriale della velocità del fluido è sovrapposta su una mappa di colore vorticità.

Con questa configurazione, la grandezza della media spaziale della radice media fluttuazione della velocità del fluido quadrato sul campo visivo PIV dovrebbe aumentare con la frequenza di oscillazione sia per le componenti di velocità orizzontali che verticali. Le traiettorie e le velocità delle particelle possono essere determinate dalle immagini di tracciamento delle particelle ad alta velocità. La distribuzione delle velocità delle particelle dovrebbe essere approssimativamente gaussiana.

Qui particelle di forme irregolari più grandi mostravano generalmente distribuzioni di velocità delle particelle con deviazioni standard più grandi di quelle delle particelle sferiche più piccole. Sebbene entrambi gli insiemi di particelle mostravano distribuzioni con velocità verticali media maggiori e deviazioni standard più grandi con l'aumentare del tasso di oscillazione della griglia. Il flusso stagnante sedimenta le velocità di sedimentazione delle particelle sintetiche, della sabbia industriale e della sabbia raccolta localmente determinata dalle loro traiettorie di particelle, tutte approssimativamente concordate con le curve di Dietrich.

La tendenza delle particelle a sedimentare le velocità ad aumentare con la frequenza di oscillazione della griglia è stata ulteriormente esplorata nelle analisi successive. La misurazione ottica simultanea sia della cinetica delle particelle che della fluidodinamica, in particolare la turbolenza, è impegnativa a causa del potenziale di interferenza tra le due tecniche di imaging, con conseguente imprecisione della misurazione. I flussi fortemente tridimensionali non sono adatti a questa tecnica, perché i movimenti fuori piano produrranno errori sia nel tracciamento 2D che nell'analisi della velocimetria delle particelle.

La concentrazione di particelle tracciate deve essere relativamente bassa per massimizzare la fiducia che la stessa particella venga tracciata in immagini consecutive. Inoltre, i traccianti PIV e le particelle tracciate devono essere di dimensioni sufficientemente diverse per distinguerli. L'integrazione delle informazioni sulla velocità del flusso con la traiettoria delle particelle dipende da ciò che viene studiato.

Ad esempio, questo metodo può anche esaminare le velocità di flusso in istanze specifiche nel tempo lungo la traiettoria della particella. Questa tecnica è stata dimostrata con il trasporto dei sedimenti, un'applicazione per le scienze del movimento, ma è rilevante in molte applicazioni in cui il flusso di fluido interagisce con particolato naturale o artificiale.