Name: 乱流で3Dプリント粒子の配向および回転速度を測定するための方法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 34 s
Description: 学ぶ 3Dプリント異方性粒子を用いた乱流中の配向・回転動態計測法。ステレオ映像追跡とアルゴリズム解析により複雑形状粒子の時間分解能の高い動的挙動を精密に測定し、流体力学の理解を深める革新的アプローチです。

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<ol><li>Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+the+Solid-body+Rotation+of+Anisotropic+Particles+in+3D+Turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22New+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence.</a> New J. Phys. 16, 102001(2014).</li>
<li>Bretherton, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+motion+of+rigid+particles+in+a+shear+flow+at+low+Reynolds+number%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number.</a> J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).</li>
<li>Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+study+of+three-dimensional+Lagrangian+particle+tracking+algorithms%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms.</a> Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).</li>
<li>Open Source Particle Tracking Velocimetry. , Open PTV Consortium. Available from:
 <a target="_blank" href="www.openptv.net">www.openptv.net</a> (2014).</li>
<li>Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotation+Rate+of+Rods+in+Turbulent+Fluid%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501(2012).</li>
<li>Parsa, S., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inertial+Range+Scaling+in+Rotations+of+Long+Rods+in+Turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence.</a> Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501(2014).</li>
<li>Tsai, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+versatile+camera+calibration+technique+for+high-accuracy+3d+machine+vision+metrology+using+off-the-shelf+tv+cameras+and+lenses%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Robotics+and+Automation%22%5BJournal%5D)">A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses.</a> IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).</li>
<li>Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+nonuniversal+large+scales+on+conditional+structure+functions+in+turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence.</a> Phys. Fluids. 22 (1), 015107(2010).</li>
<li>Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+of+relative%2C+turbulent+diffusion%5BTitle%5D)+AND+%22RISO+Internal+Report%22%5BJournal%5D)">Experimental study of relative, turbulent diffusion.</a> RISO Internal Report. , R-1036 (1999).</li>
<li>Chan, K., Stich, D., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+image+compression+for+high-speed+particle+tracking%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Real-time image compression for high-speed particle tracking.</a> Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704(2007).</li>
<li>Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGoldstein%2C+H+%22Classical+Mechanics%2C+3rd+Edition%22">Classical Mechanics, 3rd Edition</a>. , Addison-Wesley Publishing Company. 134-180 (2002).</li>
<li>Parsa, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Rotational+dynamics+of+rod+particles+in+fluid+flows%22">Rotational dynamics of rod particles in fluid flows</a>. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2013).</li>
<li>Wijesinghe, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Measurement+of+the+effects+of+large+scale+anisotropy+on+the+small+scales+of+turbulence%22">Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence</a>. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2012).</li>
<li>Wallace, J., Foss, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Measurement+of+Vorticity+in+Turbulent+Flows%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).</li>
<li>Su, L., Dahm, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalar+imaging+velocimetry+measurements+of+the+velocity+gradient+tensor+field+in+turbulent+flows.+I.+Assessment+of+errors%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors.</a> Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).</li>
<li>Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lagrangian+measurement+of+vorticity+dynamics+in+turbulent+flow%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow.</a> J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).</li>
<li>Frish, M., Webb, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+measurement+of+vorticity+by+optical+probe%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Direct measurement of vorticity by optical probe.</a> J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).</li>
<li>Zimmerman, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tracking+the+dynamics+of+translation+and+absolute+orientation+of+a+sphere+in+a+turbulent+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906(2011).</li>
<li>Zimmerman, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotational+Intermittency+and+Turbulence+Induced+Lift+Experienced+by+Large+Particles+in+a+Turbulent+Flow%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501(2011).</li>
<li>Klein, S., Gibert, M. athieu, Bérut, A., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+3D+measurement+of+the+translation+and+rotation+of+finite-size+particles+and+the+flow+field+in+a+fully+developed+turbulent+water+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Meas.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow.</a> Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).</li>
<li>Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+effects+on+turbulent+modulation+by+large+nearly+neutrally+buoyant+particles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles.</a> J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).</li>
</ol>

著者らは、開示することは一切競合する金融利害関係を持っていません。

渦と乱流流れの中の粒子の回転の測定は長い実験流体力学における重要な目標であると認識されています。乱流の小さな球体のソリッドボディの回転が半流体の渦度に等しいですが、球の回転対称性は、困難な彼らのソリッドボディ回転の直接測定を行いました。伝統的に、流体の渦度は、複雑な、マルチセンサ、熱線プローブ14を用いて測定しました。しかし、これらのセンサは、唯一の大きな平均速度を有する気流に一点渦度の測定値を取得します。他の渦度測定方法が開発されてきました。例えば、蘇とDahmのは、スカラー画像15とルティ、Tsinober、およびKinzelbachが3D粒子追跡速度測定16を使用するに基づいて、流れ場の速度測定を使用しました。単一粒子の回転を追跡することにより乱流における渦度の測定は、固体球状の回転を測定Frishとウェッブによって開拓されました渦度光プローブ17を使用して粒子。このプローブは、方向、粒子が回転するなどの変更ビームを作成するためのミラーとして機能する組み込み平面結晶を小粒子を使用しています。最近では、方法は、粒子18,19、</sup...

最近の刊行物では、乱流1中の粒子の回転運動を測定するための複数の細長いアームから作られた粒子の使用を導入しました。これらの粒子は、3Dプリンターを用いて製造することができ、正確に複数のカメラを使用してそれらの位置、姿勢、および回転速度を測定することができます。細長い本体論のツールを使用して、これらの粒子は、効果的な楕円体2に対応していることを示すことができ、これらの粒子の回転運動は、それぞれの有効な楕円のものと同一です。同じ長さの対称アームを有する粒子が球のように回転させます。そのような粒子は、その中心に取り付けられた3つの相互に垂直なアームを有するジャック、です。ジャックのアームの相対的長さを調整する任意の三軸楕円体の粒子と同等に形成することができます。一方のアームの長さはゼロに等しく設定されている場合、これは、その等価楕円ディスクでクロスを作成します。細長いからなる粒子腕は彼らの固体楕円対応の固体体積の小部分を取ります。その結果、密度が一致するように容易になり、よりゆっくりと沈降します。これは、固体楕円状の粒子と便利であるよりもはるかに大きい粒子の研究を可能にします。粒子は他の粒子からの光の小さな部分を遮断するため、また、撮像がはるかに高い粒子濃度で行うことができます。 本論文では、3D印刷粒子の製造および追跡するための方法が記載されています。複数のカメラから見たパーティクルの位置から球状粒子の並進運動を追跡するためのツールがいくつかのグループ3,4によって開発されてきました。パルサら 5は、複数のカメラから見た棒の位置及び姿勢を用いてロッドを追跡するためにこの方法を拡張しました。ここでは、多種多様な形状の粒子を作製し、それらの3D姿勢を再構成するための方法を提示します。これは、番目を提供しています電子の可能性は、新しいアプリケーションの広い範囲に複雑な形状を有する粒子の3Dトラッキングを拡張します。 この技術は、理由設計することができる粒子形状の広い範囲の更なる発展のために大きな可能性を秘めています。これらの形状の多くはプランクトン、種子、および氷の結晶が形状の広大な配列に来る環境フロー、直接アプリケーションを持っています。粒子の回転および乱流6の基本的な小規模の特性との間の接続は、これらの粒子の回転の研究では、乱流カスケードプロセスを見ての新しい方法を提供することを示唆しています。

<table><tbody><tr><td>Condor Nd:YAG 50 W レーザー</td><td>Quantronics</td><td>532-30-M</td><td></td></tr><tr><td>高速カメラ</td><td>Basler</td><td>A504k</td><td></td></tr><tr><td>高速カメラ</td><td>Mikrotron</td><td>EoSens Mc1362</td><td></td></tr><tr><td>Rhodamine-B</td><td>ScienceLab.com</td><td>SLR1465</td><td></td></tr><tr><td>水酸化ナトリウム</td><td>Macron</td><td>7708</td><td>ペレット。</td></tr><tr><td>500 Connex 3Dプリンター</td><td>オブジェット</td><td></td><td>小さな粒子を作るために使用されます。RP+Mから注文したパーティクル(ラピッドプロトタイピングと製造)。</td></tr><tr><td>VeroClear</td><td>Stratasys</td><td>RGD810</td><td>Objetビルドマテリアル。</td></tr><tr><td>Clear Form 1 フォトポリマー樹脂</td><td>Formlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>円筒形および球面レンズ</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>200 mmマクロカメラレンズ</td><td></td><td></td><td>Fマウント。</td></tr><tr><td>超音波浴</td><td>ソニケーター</td><td></td><td></td></tr><tr><td>塩化カルシウム</td><td>スペクトラム ケミカル社</td><td>CAS 10043-52-2</td><td>ペレット。</td></tr><tr><td>LabVIEWシステム設計ソフトウェア</td><td>National Instruments社製</td><td></td><td>カメラのトリガ、グリッド制御、レーザーのトリガに使用します。</td></tr><tr><td>XCAPソフトウェア</td><td>EPIX</td><td></td><td>をLabVIEWと併用してカメラをトリガします。</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>すべての画像解析とデータ解析に使用されます。この出版物には、複数の画像から3D方向を抽出するプログラムが含まれています。</td></tr><tr><td>OpenPTV: オープンソース 粒子追跡速度測定</td><td>OpenPTV コンソーシアム</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ParaView</td><td>キットウェア</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AutoCAD</td><td>AutoDesk</td><td></td><td>すべての粒子の設計に使用されます。パーティクルデザインのスクリーンショットは、すべてAutoCADのものです。</td></tr><tr><td>0.040 x 0.053インチの穴の工業用</td><td>ネット</td><td>XN5170&ndashのメッシュ。43.5</td><td></td></tr><tr><td>カメラフィルター</td><td>Schneider Optics</td><td>B+W 040M</td><td></td></tr></tbody></table>

乱流で3dプリント粒子の配向および回転速度を測定するための方法

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

実験方法は、乱流の流体の流れに異方性粒子の回転および並進運動を測定するために提示されています。三次元印刷技術は、共通の中心部に接続された細長いアームを有する粒子を製造するために使用されます。探検形状が十字（2垂直棒）、ジャック（3垂直棒）、三和音（三角面対称で3ロッド）、および四分子（四面体対称で4本のアーム）です。万蛍光染色された粒子のために製造する方法が記載されています。それらの配向とソリッドボディ回転速度の時間分解測定は、この比較的低いレイノルズ数の流れでRλ= 91とグリッドを振動間乱流におけるそれらの動きの4同期ビデオから得られ、移流粒子が十分に小さいですそれらは楕円トレーサー粒子を近似します。我々は、粒子の位置及び姿勢の時間分解3D軌道の存在の結果としてよく彼らの回転速度の測定のような。

図3aは、その軌跡（ 図3c）の部分から得られたオイラー角のプロット上我々のカメラの一つから四分子の画像を示しています。 図3bに、プロトコル5に記載の方位発見アルゴリズムの結果- 5.3は、四分子画像に重畳されています。 図3aの四分子の腕はモデル（プロトコル5.1.3.1）を作成するために使用される単純な強度分布に従っていません。これは、粒子の全てに当てはまります。観察された強度は、さらに腕、照明、および視線方向12との間の角度上の非自明な依存性を持ちます。モデルは、これらの要因のいずれかを含むが、それにもかかわらず、粒子の配向の非常に正確な測定値を生成しません。 方位が収まる最小二乗法を用いて検出されると、3Dでの座標粒子の中心部と3つのオイラー角（φ、θ、ψ）、それ...

私たちは3Dプリントを使用して、ジャッキ、クロス、テトラド、トライアドの形をした異方性粒子を製作します。これらの粒子は、乱流流体の流れにおける整列と回転を複数の同時ビデオ画像から測定することができます。

乱流で3Dプリント粒子の配向および回転速度を測定するための方法

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

本実験の全般的な目的は、3Dプリンターを用いて多種多様な形状の粒子を作製し、乱流中におけるそれらの運動を測定することである。この手法は、乱流中で粒子がどのように回転し、配向するかといった、流体力学における重要な課題の解明に寄与する。本手法の主な利点は、従来の方法では達成できなかった、複雑な形状を持つ粒子の配向に関する高精度な時間分解測定が可能になる点にある。この手法は、乱流中におけるディスクや球体の運動に関する知見を提供しており、他の多くの状況において複雑な形状を持つ粒子のダイナミクスを測定するために利用できます。一般的に、この手法に不慣れな方は、3Dカメラのキャリブレーションや、使用する特定の粒子に合わせた方向決定アルゴリズムの適応に苦労されると考えられます。本手順の実演をサポートするのは、クロス（十字形）およびジャック（四脚形）を用いた元の実験を行ったGuy Marcusです。まず、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して、プリント用の粒子モデルを作成します。AutoCADでトライアドを作成するには、まず「円」コマンドを使用して直径0.3 mmの円を描きます。次に、「押し出し」コマンドを使用して、長さ3 mmの円柱を作成します。このサイズのシリンダーが粒子の構成単位となります。次に、rotateコマンドを使用し、回転軸にX軸を、回転角度に90度を選択します。他のシリンダーを操作するためのスペースを確保するようにビューを調整してください。次に、トライアドの2番目のアームとなるシリンダーをコピーします。このシリンダーの末端で、Z軸を回転軸として「rotate 3D」コマンドを適用します。トライアドに合わせて、シリンダーを120度回転させます。回転させたシリンダーを移動させ、トライアドの一辺を形成するように配置します。シリンダー端の中心を一致させてください。同様の手順で、3番目の辺を作成し配置します。次に、シリンダーがいずれの垂直方向または水平方向の軸とも一致しないようにオブジェクトを回転させます。すべての腕が配置されたら、それらすべてを選択し、結合（union）コマンドを使用して単一のオブジェクトに統合します。ファイルを3Dプリント用のフォーマットで保存します。同様の手順に従って、実験に使用するその他の粒子を作成します。トライアドに加えて、共通の中心を持つ2つの直交するシリンダーで構成されるクロス、共通の中心を持つ3つの相互に直交するシリンダーで構成されるジャック、およびシリンダーが共通の端点を共有し、互いに109.5度の角度にあるテトラドがあります。各種類の粒子を、高解像度モードで約10,000個ずつプリントしてください。プリントされた粒子を、中性浮力を持つ溶液に保存する準備をします。そのためには、塩化カルシウム溶液を用い、中性浮力密度となるよう約1,600リットルの水で調整します。各種類の粒子を保存するために、この溶液から約1リットルを取り出します。1リットルの溶液をベンチに運び、粒子の操作を開始します。本実験で使用する粒子は市販のプリント品です。これらの粒子は、支持材として使用される樹脂に包まれた状態で届きます。大きな破片を優しく砕いて小さなセクションに分け、粒子を遊離させます。各セクションを個別に手で揉み込み、余分な樹脂の大部分が剥がれるまで行います。これにより、後の工程が容易になります。粒子をさらに洗浄するため、ビーカーに10%（質量パーセント濃度）の水酸化ナトリウム溶液を調製します。次に、粒子と残存している樹脂封止材をビーカーに入れ、樹脂を除去します。溶液の入ったビーカーを超音波洗浄機に入れます。粒子を最初に1時間超音波洗浄機にかけ、その後、洗浄後にさらに30分間処理します。粒子を回収するために、洗浄機から水酸化ナトリウム溶液を受けるための2つ目のビーカーとフィルターを用意します。超音波洗浄の手順が完了したら、手袋を使用してビーカーを洗浄機から取り出し、内容物をフィルターを通して2つ目のビーカーに注ぎます。粒子を洗浄した後、変形を防ぐために浸漬させる密度整合溶液へと移動させます。これらの粒子は樹脂から分離され、超音波洗浄機で洗浄済みであり、グリーンレーザー光下で蛍光を発させるための染色準備が整った状態です。粒子を染色するために、1 Lの水に溶解させたRhodamine-B染料溶液を用意し、ホットプレート上に配置します。この粒子の材質に合わせて、染料を80 °Cで加熱します。保存されていた粒子を小型容器に軽く満たします。分量は約2,500粒子になります。粒子を染料溶液に加え、浸漬させている間は温度を維持します。約2〜3時間後、溶液と粒子を熱源から取り出します。メッシュと別の容器を使用して、溶液から粒子をろ過して分離します。加熱により粒子が柔らかくなっている間は、損傷させないよう注意してください。次に、粒子を注意深く洗浄し、過剰な染料を除去します。完了後、実験で使用するまで中性浮遊溶液中に保存します。実験は、流れの中心にある粒子を記録するためにカメラを配置した水槽内で行います。この概略図は、八角形の断面を持つ水槽の構成、乱流を生成するための振動グリッド、測定領域、およびカメラの配置の概要を示しています。配向測定の精度を確保するため、最低4台のカメラを使用してください。各カメラは、450 frames per secondにおいて少なくとも1メガピクセルの解像度を備え、専用のコンピュータに接続されている必要があります。任意の2台のカメラ間に十分な角度を設けて配置し、すべてのカメラが目的の測定領域に焦点を合わせていることを確認してください。光学的な歪みを最小限に抑えるため、タンクにはカメラの視線方向に対して垂直なビューポートが組み込まれています。次に、タンクの測定領域に画像校正マスクを配置します。これにより、カメラで収集した実験データの解析が可能になります。実験条件をシミュレートするため、タンクにバルク中性浮力溶液を満たし始めてください。タンクを満たした後、マスクを照らすための照明を設置します。次に、カメラの作業に戻ります。各カメラの焦点をマスク上の同一地点に合わせ、キャリブレーション用の画像を取得して保存します。タンクの排水後、ネオジウム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Nd:YAG）レーザーを設置し、実験の準備を続けます。ビームスプリッターを配置し、レーザービームの一部をミラーへ導きます。光はミラーからレンズを通り、円筒状のビームとなってタンク内へと導入されます。タンクの反対側にミラーを配置し、出射したレーザー光を元の経路に沿って反射させます。ビームスプリッターのもう一方の出力端と、同様のミラーおよびレンズの配置を用いて、この上面図の概略図に示すように、最初のビームと垂直な円筒形ビームを作成します。ビームが出射される位置にあるミラーは、より均一な照明を作成するのに役立ちます。次に、脱気された中性浮力塩化カルシウム溶液が満たされたタンクを確認します。手順を進める前に、カメラとデータ収集ソフトウェアの準備ができていることを確認してください。本実験のために準備した約10,000個の四分胞子（tetrads）をタンクに添加する準備をします。それらをタンク上部のポート付近の所定の位置に移動させます。準備が整ったらポートを開き、粒子をタンク内の水に加えます。すべての粒子を投入し終えたら、ポートを閉じます。次に、レーザーへ移動します。そこでレーザーの電源を入れ、レーザー開口部を開きます。その後、グリッド制御を使用して、グリッドを 3 Hz で振動させます。タンク内で、乱流が十分に発達するまでグリッドを約1分間振動させます。その時点でデータ収集を開始し、約100万フレームを記録します。ランの終了後、データ収集を停止し、レーザーアパーチャを閉じます。すべての実験が完了した後、タンクの出口に移動します。そこにフィルターを設置して溶液から粒子を取り除き、タンクを空にします。回収した粒子は、後で使用するために中性浮力溶液の中に保存してください。ソフトウェアを用いて記録された画像のデータ解析を行い、粒子の位置と配向を特定します。ソフトウェアでは以下の手順が実行されます。まず、4台のカメラでキャプチャされた粒子の4枚の同期画像から、二次元情報を利用してその三次元位置を決定します。カメラキャリブレーションパラメータを用いて、照明された粒子の3次元数値モデルを各カメラに投影します。これにより、4台すべてのカメラにおける粒子からの光強度の2次元モデルが作成されます。次に、非線形最小二乗近似ルーチンを実行し、4台すべてのカメラで観察される像に最も適合するモデルの方向を求めます。4台すべてのカメラからの情報を統合し、各カメラに投影されたモデルと観察された粒子との差を最小限に抑えます。これらの手順は、すべてのカメラの視野内に粒子が存在するすべてのフレームに対して行われます。これが、位置と方向におけるテトラッドの展開となります。保護措置がない場合に起こり得る、テトラッドアームの配向の不連続な変化に注目してください。テトラッド進化のこの第2バージョンでは、ソフトウェアが各フレームのオイラー角を、前のフレームに対する最小回転として確保することを保証しています。位置と配向の情報は、後で使用するために保存されます。これは、実験におけるテトラッドのカメラ画像です。2番目の画像では、重ね合わされたモデルがアルゴリズムによって検出された配向を示しています。2次元の強度モデルという簡便な手法であるにもかかわらず、本手法は粒子の配向を正確に測定することができます。本実験では、配向決定アルゴリズムを用いて、各粒子の全トラジェクトリにわたるオイラー角の推移を取得します。これにより、観察領域を横切るテトラッドの完全なトラジェクトリを再構成します。これは、4台すべてのカメラで粒子が視認できている各フレームについて、粒子の配向と3次元座標を組み合わせることで実現されます。トラックの長さは229フレームです。粒子はスケール通りに描かれていないことに注意してください。また、このデータにより、測定されたタンブリング率の確率密度関数を決定することが可能です。赤色の正方形は十字型のデータ、青色の円はジャック型のデータを示しています。実線は球体の数値シミュレーション結果であり、実験データと非常によく一致しています。この手法を習得すれば、適切に実施することで3日間で完了させることができます。本手順を行う際は、粒子を密度の異なる溶液の中に数時間静置させることが重要です。また、実験期間中、カメラが適切にアライメントされ、固定され、同期していることを確認することが不可欠です。この手順に従い、トレーサー粒子の追跡などの他の手法を用いて、3Dプリントされた粒子が周囲の流れにおける全速度勾配テンソルにどのように反応するかを測定できます。このビデオを視聴することで、4枚のステレオビデオ画像を用いて、異方性粒子を使用して乱流から速度勾配テンソルに関する情報を抽出する方法について十分に理解できたはずです。Rhodamine-B染料および水酸化ナトリウムの使用には危険が伴うため、この手順を行う際は、常に手袋やゴーグルなどの予防策を講じることを忘れないでください。

methods-for-measuring-orientation-rotation-rate-3d-printed-particles

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JoVE Journal

Engineering

工学

四ビュースプリッターと高速度カメラに基づいた三次元粒子追跡速度測定（3D-PTV）システムは、ここに記載されています。技術は、下流≈7,000レイノルズ数Reで10直径の近傍に円管からの噴流に適用されます。...

ジェット流の場合：乱流のアプリケーションのための3次元粒子追跡流速

土砂ベッドのジオメトリを層流から乱流の機能として単一のビードの初期パーティクル モーションを特徴づける 2...

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

ここで説明する手法は、粒子運動と低粒子濃度の流れにおける乱流を同時に測定する低コストかつ比較的簡単な方法を提供しています。粒子画像流速測定法 (PIV)...

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

このプロトコルは、反応性インクジェット印刷を使用して、自己運動性生体適合性および環境に優しいマイクロスターラーを印刷し、生物医学的および環境的用途に用いる能力を実証する。...

シルクベース自走式マイクロスターラーの反応性インクジェット印刷と推進力解析

このプロトコルは、3D印刷ペンの放出を分析する方法を提示します。放出された粒子の粒子濃度および粒子サイズ分布が測定される。放出粒子は透過型電子顕微鏡(TEM)でさらに解析される。フィラメント中の金属含有量は、誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)によって定量化されます。...

3D プリント - 3D プリント ペンのパーティクル放出の評価

我々は、数nmから様々な材料のナノサイズの粒子の数100nmまでの薄膜を蒸着させるためにプラズマ強化化学蒸着を使用しています。透水性シェルの厚さによって制御される中空ナノシェルを生成するために我々は、その後エッチコア材料。私たちは小さな溶質にこれらのコーティングの透過性を特徴づけるこれらの障壁は数日間、コア材料の徐放を提供することができることを示している。...

プラズマ重合中空粒子のカプセル化と透水特性

本論文では、界面活性剤ベースの剪断間粘弾性流体中の球状粒子の末端沈降速度を測定する実験手順を示す。多様なレオロジー特性を超える流体が準備され、平行な壁の間の無限の流体および流体の粒径の範囲に対して、沈降速度が測定されます。...

閉じ込められていない狭間性界面活性剤ベースの剪断間粘弾性流体における球状粒子の沈降速度の実験的測定

Acoustofluidicデバイスは、操作に集中懸濁マイクロ・ナノスケールのエンティティを分離するためにマイクロ流体チャネル内に超音波を使用します。このプロトコルは、シース流体の助けを借りずに中央流線中の粒子を集中するバルク音響定在波をサポートするようなデバイスの製造および動作について説明します。...

作製とAcoustofluidicのデバイスの動作は、粒子のフォーカシングSheathlessためのバルク弾性定在波を支援

平面試料中の磁性粒子を撮像するためのスキャナは、磁気検出技術を混合平坦な周波数を使用して開発されました。粒子の非線形nonhysteretic磁化からの磁気相互変調積応答は、2周波励磁に記録されています。薄い生体サンプルの2次元画像を撮影するために使用することができます。...

平面サンプル中の磁性粒子を撮像する磁気検出スキャナ周波数混合

本論文では、ソリューションの蒸発速度検出のためのインピーダンスに基づく装置を提供します。高速応答、高感度の検出、洗浄および再利用の目的のために小さなサンプル要件、複数のサンプル測定、および容易な分解：これは、従来の減量のアプローチを超える明確な利点を提供しています。...

蒸発速度検出のための高性能インピーダンスベースのプラットフォーム

学ぶ 3Dプリント異方性粒子を用いた乱流中の配向・回転動態計測法。ステレオ映像追跡とアルゴリズム解析により複雑形状粒子の時間分解能の高い動的挙動を精密に測定し、流体力学の理解を深める革新的アプローチです。

乱流で3Dプリント粒子の配向および回転速度を測定するための方法

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