Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 2 s
Description: 学ぶ三次元粒子追跡流速法によるジェット流の乱流解析。高速カメラと四視点スプリッターを用いて、ラグランジュ記述で流れの動的特性を詳細に捉え、乱流研究やモーションキャプチャーへの応用可能性を示します。

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<ol><li>Wygnanski, I., Fiedler, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWygnanski%2C+I+%22Some+measurements+in+the+self+preserving+jet%22">Some measurements in the self preserving jet</a>. , Cambridge university press. (1968).</li>
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</ol>

著者は、彼らが競合する経済的利害関係を持っていないことを宣言します。

<html> 3D-PTVは下層大気25、室内空気分布26でこのような大規模乱流運動として乱流の様々な複雑な物理現象を解明するための大きな可能性を秘めている、または拍動性は、多くの他の中大動脈トポロジ28に流れます。しかし、その利点と限界についての理解だけでなく、経験がその可能性を最大限にすることが不可欠です。トライアルフレームレート、照明光源、G＆Bレベル及び画像フィルタリング方法などの最適な設定のエラー予備試験網羅反復は、直接的に（ 例えば 、トレーサ）の粒子の組のラグランジュ経路を再構成する能力と相関しています。ここで示されたように、重要なプロトコルステップは、G＆Bレベルの調整やFOVの照明（ハロゲンスポットライト、拡大レンズの組み合わせや水路の底部から反射鏡）があることに注意することが重要です。 ENT &quot;&gt;これらの調整は、4つのビューに調査内で光が散乱を最適化するのに役立つ。高忠実度の測定のための実験的な設定を識別した後、徹底的な変更およびトラブルシューティングは、フレームレートに基づいて、正確な軌道の最大数を計算する...

乱流ジェット流は、エンジニアリング用途に遍在しています。このような流れの詳細な特性は、電子マイクロスケールデバイスに大規模な環境放電システムから及ぶ実用上の問題の広い範囲で非常に重要です。 4 -ための広範なアプリケーションの数に与える影響を、ジェットフローは、深さ1に研究されています。熱線流速計4を含むいくつかの実験技術- 8は 、レーザードップラー流速計（LDV）4,9 - 12、及び粒子画像流速測定（PIV）12を- 16は 、噴流を特徴付けるために使用されてきたレイノルズ数と境界の広い範囲に流れます条件。最近、いくつかの研究では、ジェットの乱流/非乱流インタフェースは17、18を流れて勉強する3D-PTVを使用して作られてきました。 3D-PTVは、複雑な乱流Fiのを記述するために特に適した技術であります異なる視点からELDより。これは、マルチビュー立体視を用いて、基準のラグランジュフレームにボリューム内の粒子軌道の再構成を可能にします。技術は最初チャン19によって導入され、さらにRaccaとデューイ20によって開発されました。 24 -それ以来、多くの改良は、3D-PTVアルゴリズムと実験21日に行われています。これらの成果と以前の作品では、システムが正常に4 MX 2 MX 2メートル25、室内の気流場26のドメインにこのような大規模な流体運動など様々な流体現象を研究するために使用されてきた、拍動は27と大動脈の血流28を流れ、 。 3D-PTV計測の動作原理は、データ収集システムのセットアップ、記録/前処理、キャリブレーション、3D対応、時間追跡および後処理から成ります。正確なキャリブレーションは、粒子の位置を正確に検出することが可能秒。以上の3つの画像ビューで検出された粒子の対応はエピポーラ幾何学に基づいた3Dパーティクル位置の再構築を可能にします。連続する画像フレームからの結合は、粒子の軌跡S（t）を定義する一時的な追跡をもたらします。 3D-PTVシステムの最適化は、多粒子トレーサビリティの尤度を最大にするために不可欠です。 最適化の最初のステップは、高速カメラ、照明源とシード粒子の特徴を含む適切なデータ収集システムを取得することです。調査体積の大きさに伴ってカメラの解像度は、画素サイズと単一の画素よりも大きくする必要があり、従って、必要なシード粒子のサイズを定義します。検出された粒子の重心は、輝度21で重み付け粒子画素の平均位置を取ることによってサブピクセル精度で推定されます。カメラのフレームレートは密接associatありますレイノルズ数と検出された粒子をリンクする機能とエド。より高いフレームレートが速い流れまたは平均画像間の変位は粒子の平均分離を超える場合、追跡がより困難になるので、粒子の多くを解決することを可能にします。 シャッター速度、絞り、感度は画像キャプチャで考慮すべき3つの要因です。シャッター速度は、粒子の重心位置の不確実性を低下させ、粒子、周りにぼかし最小限にするのに十分高速である必要があります。カメラの絞りは、ボリュームの外側に粒子を検出する確率を低減するために調査体積のフィールドの深さに調整されるべきです。カメラの最大感度が固定されているので、フレームレートが増加すると、粒子を照明​​するために要求される必要な光は、それに応じて増加するはずです。 PIVとは異なり、複雑な光学設定と高出力レーザーは厳密に限り、光源が十分にスキャットであ​​るとして、3D-PTVで必要とされていませんカメラにトレーサー粒子から結。連続LEDやハロゲンライトは同期21の必要性を回避良い費用対効果の高いオプションです。 3D-PTVでは、他のオプティカルフロー測定技術と同様に、トレーサー粒子速度は、局所瞬間流速29であると仮定されます。しかし、これはnullを直径と慣性の理想的なトレーサーのための唯一のケースです。トレーサー粒子は、カメラによって捕捉されるのに十分大きくなければなりません。有限の粒子の忠実度は、粒子の緩和時間スケール比と関心の乱流構造の時間尺度、すなわち 、ストークス数S tで決定することができます。一般的に、S tは S Tの1よりも実質的に小さくなければならない≤0.1フロートラッキング誤差は1％未満である30。より綿密な議論がメイらに記載されています29 - 。31 </sup&gt;。 3D-PTVの実験のための推奨される粒径は、光源とカメラの感度によって異なります。ハロゲンまたは照明光源としてLEDが点灯して、比較的大きな粒子が使用される（ 例えば 、50〜200ミクロン）32、より小さな粒子（ 例えば 1~50ミクロン）33に対し、 図34は、高出力レーザー（ 例えば、80〜100ワットで使用することができCWレーザー）。所定の波長の光に対して高い反射率を有する粒子が、ハロゲンライトの下でコーティングされた銀のように、画像にその足跡を増幅することができます。播種密度は、成功した3D-PTV測定のための別の重要なパラメータです。粒子の過剰な数が対応関係を確立し、追跡中の曖昧さを引き起こす一方で、いくつかの粒子は、軌道の低い数になります。対応関係を確立する上で曖昧さが重なり、粒子と定義されたエピポーラ線に沿って複数の候補を検出することが含まれます。追尾処理において、高いseedinによる曖昧<html> G濃度があるため、粒子の比較的短い平均分離を発生しました。 第二段階は、画像品質を向上させるために、記録/前処理で最適な設定です。そのようなゲインと黒レベル（G＆B）のような写真の設定は、画像品質を最適化する上で重要な役割を果たしています。ゲインは、画像の明るさを増幅するのに対し、黒レベルは、画像の最も暗い部分の明るさのレベルを定義します。 G＆Bレベルのわずかな変化が著しく、トレーサビリティの可能性に影響を与えることができます。実際には、高G＆Bは、画像の上に、明るく、最終的には、カメラのセンサーを破損する恐れがあります。これを説明するために、流れの再構築にG＆Bレベルの影響も、この記事で検討されています。前処理工程では、画像は、粒子からの光散乱を強調するために、ハイパスフィルタを用いてフィルタリングされます。画素サイズ、グレースケールを調査体積内の粒子の検出を最大にするように調整されます。 T &quot;&gt;最適化の第三工程は、エピポーラ幾何、カメラパラメータ（焦点距離、主点、及び歪み係数）、および屈折率の変化に基づいて立体視画像化の正確なキャリブレーションである。このプロセスは、3Dを最小にするために不可欠です基準目標点の再構成エラー。エピポーラ幾何学は、対象画像からと傾斜角度（カメラと呼び掛けボリュームとの間の）相対距離を使用しています。調査体積を介してカメラビューに沿って屈折率の変化は質量の手順に基づいて考慮することができますら 21は、この実験では、規則的に分布ターゲットポイントと3D階段状構造は、標的として使用されます。 2つだけの画像が3次元粒子位置を決定するために必要とされるが、3D-PTV実験では、通常、複数のカメラを曖昧21を減少させるために使用されます。複数のハイスピー​​ドカメラで高価なセットアップする代わりに、viのですEWの3D-PTVの使用についてホイヤーらによって提案されたスプリッタ、35、最近の生物医学的用途のためにGulean ら 28によって適用されます。ビュースプリッタは、ピラミッド型のミラー（ここに至って主鏡）と4つの調整可能なミラー（副鏡ここに至って）で構成されています。この研究では、4つのビュースプリッタと単一のカメラが4台のカメラからの立体画像化を模倣するために使用しました。システムは、直径、dは H = 1 cmで再 ≈7,000ラグランジアンからとパイプジェットの中間流れ場を特徴付けるために使用され、オイラーは、ジェット原点から下流の周りに14.5から18.5の直径でフレーム。

<table><tbody><tr><td>Mikrotron 4CXP 4レーン CXP-6 CoaXPress</td><td>ImageOps</td><td>CAMMC4082</td><td>高速カメラ</td></tr><tr><td>アクティブシリコン FireBird CoaX フレームグラバー</td><td>ImageOps</td><td>FBD-4XCXP6</td><td>フレームグラバー</td></tr><tr><td>100 &m 銀コーティングされた中空セラミック球</td><td>Potters Industries LLC</td><td>AG-SL150-30-TRD</td><td>播種小葉</td></tr><tr><td>StreamPix6</td><td>Upstate Technical Equipment CO.,INC</td><td>MISNOR-STP-6-S-CL</td><td>カメラアプリケーション</td></tr><tr><td>4ビュースプリッター</td><td>Photrack AG</td><td></td><td>カスタマイズされた部品と1台のカメラで3D-PTVを実行する場合に必要</td></tr><tr><td>250ワット スポットライト ハロゲン</td><td>ゼネラルエレクトリック</td><td>23719</td><td>光源</td></tr><tr><td>OpenPTV (ソフトウェア)</td><td>OpenPTV (http://www.openptv.net)</td><td></td><td>オープンソースの粒子追跡ソフトウェア(注:インストールの混乱やコンピューターの電源供給の問題なしに使用したい人のためのサービスとして利用可能)。</td></tr></tbody></table>

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

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTVは、画像シーケンスの立体記録を用いて、三次元での粒子の組のラグランジュ経路を追跡することを目的と定量流量測定技術です。 4ビュースプリッタと高速度カメラからなる3D-PTVトポロジの基本的なコンポーネント、機能、制約および最適化のヒントは、この資料に記載され議論されています。技術は、 再 ≈7,000に円形噴流の中間流れ場（5 &lt;X / D &lt;25）に適用されます。オイラーフレーム内のラグランジュフロー機能や乱流の量はジェット起源の下流10の直径の周りに、ジェットコアからの様々な半径方向距離であると推定されています。ラグランジュのプロパティは軌道、選択された粒子の速度と加速度だけでなく、Frenet-Serret方程式から得られる流路の曲率を含みます。 10に位置するクロスプレーンでのジェットコア軸周りの3D速度と乱流場の推定ジェットの下流の直径は、文献と比較して、大規模な流れ方向速度運動のパワースペクトルは、ジェットコアから様々な半径方向距離で得られます。

写真とセットアップの概略図は、 図 1及び2に示されています。較正ターゲットは、基準マークは、 図 3に示されている図スプリッタおよび3Dキャリブレーションの再構成に反映しました。認識されたキャリブレーションターゲットのRMSは、流れ方向のx、スパン方向y及び深さz方向に7.3ミクロン、5.7ミクロンおよび141.7μmです。 z -座標の相対的な高いRMSは、他の方向とx、y座標と比較して、z軸を持つ4つのビューの比較的小さな角度のものに関して減少目標点に起因しています。任意の与えられた瞬間に4つのビューのそれぞれで検出された粒子は、10 3のオーダーであった。検出された粒子のうち、成功した3次元再構成の数が原因で、実際にほぼ半分に低減される交差領域AR内の粒子のみ電子捕獲した。 動画 1は、4つ...

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。

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

この実験の目的は、乱流アプリケーション向けの粒子追跡流速計（PTV）システムを構築および最適化し、それを用いてジェット流を研究することです。この手法は、流れのラグランジュ記述を用いることで、乱流分野における重要な課題の解決に寄与します。本手法の主な利点は、時間的および空間的に大量の粒子を追跡できる点にあります。この手法は、乱流およびラグランジュ座標系に関する知見を提供できるだけでなく、モーションキャプチャやモーショントラッキングなどの他の用途にも適用可能です。本実験のセットアップは、パイプジェットの中間流場の研究を目的としています。この水槽内には、直径1cmのジェットを生成するためのフルームが設置されています。この概略図は、三次元粒子追跡流速測定（PTV）用装置を追加する前のセットアップの概要を示しています。粒子追跡の準備として、解析領域であるインターロゲーション・ボリュームを特定します。本実験では、これは各面がより大きな体積の面と平行な立方体であり、その最短点はフルームの端から15 centimetersの位置にあります。測定領域を選択したら、まず主鏡の位置合わせを行います。鏡はピラミッド形状で、実験タンクの側面に沿った垂直の取付ポストに取り付けられています。鏡をポストに沿ってスライドさせ、測定領域の中心と高さを合わせた後、固定してください。次に、主鏡の後方にカメラを装着します。カメラ画像の中心が主鏡の中心と一致するように設定してください。その後、コンピュータへ移動し、カメラとの接続を確認します。次に、カメラと録画ソフトウェア間のインターフェースを設定します。まず、主鏡とその周辺のカメラビューを表示させます。ソフトウェアのROI（関心領域）設定を使用して、カメラビューの幅と高さを調整し、主鏡のみが収まるように設定してください。次のステップは、二次ミラーをセットアップするために、キャリブレーションターゲットをタンク内に配置することです。このターゲットは、全測定領域をカバーするようにカスタム設計されています。ターゲットには、キャリブレーション用の直径1 mmのターゲットポイントが設けられています。まず、ターゲットを支持するために、高さ調節可能なプラットフォームをタンク内に設置します。校正ターゲットをプラットフォーム上に配置し、カメラに向くように向きを調整します。校正ターゲットの中心が校正領域の中心と一致するように、プラットフォームの高さを調整してください。4つのビュー・スプリッターを設置して進めます。主ミラーの位置を調整し、インターロゲーション領域全体をキャプチャできるようにします。副ミラーは、主ミラーの両側にある垂直方向のマウントポストに取り付けられています。各副鏡を、主鏡の最も近い側から見たカメラの視野とおおよそ一致するように取り付ける。副鏡を固定する。最終的な配置は、主鏡に対して幾何学的に対称である必要がある。レーザーポインターを使用して、鏡に順次照射し、光路を可視化します。ビームパスをガイドとして二次ミラーの最終調整を行い、視野にキャリブレーションターゲット全体が含まれるようにします。残りの各二次ミラーについても、同様に光路の可視化と調整を繰り返します。すべてのミラーの調整が完了した後、カメラビューのサブイメージを監視します。コンピューターで、画像のカメラビューを確認してください。ビュー・スプリッターにおいて、セカンダリーミラーの1つを移動させ、サブイメージの重なりを調べます。ミラーを動かした際に1つのビューのみが変化する場合、オーバーラップは無視できるレベルです。4方分光器を設置した後、カメラの電源を切り、照明の調整に移ります。光源を、 interrogation volume の真上から直接向き合うように配置してください。この実験では、光強度を高めるために、光源の直下に拡大レンズを設置します。光源をオンにし、全測定領域に光が均一に分布していることを視覚的に確認してください。カメラでの作業に戻り、セットアップの最適化を開始します。主鏡を通した反射が、4つの副鏡のすべてのビューで等しくフォーカスされるまで、レンズの焦点を調整します。ビュー・スプリッターからの画像が対称であり、インターロゲーション・ボリューム（計測領域）が表示されていることを確認してください。次に、キャリブレーション・ターゲットの最短点と最遠点の両方をキャプチャできるよう、f値を調整します。カメラは、測定領域内のトレーサー粒子のみをキャプチャします。ここで、録画ソフトウェアに切り替えてください。希望のフレームレートを設定します。この実験では550 Hertzを使用します。次に、選択したフレームレートに従って光感度を最大化します。これで、キャリブレーションターゲットの校正用画像を撮影する準備が整いました。ターゲットを照らすため、LEDフラッシュライトをタンクのターゲット直上に設置します。後のキャリブレーションステップに向けて、4ビュー・スプリッターを介してターゲットの画像を数枚撮影してください。完了後、照明の調整を開始するため、キャリブレーションターゲットとその支持スタンド、およびライトを取り除きます。照明を最適化するための少量の播種粒子を準備します。水を入れた小型ビーカーを用意し、そこに播種粒子を加えます。粒子が拡散するまで待ちます。粒子は100 µmの銀コーティング中空セラミック球です。照明およびカメラ設定の最適化を容易にするため、混合液をタンクに注ぎます。室内の照明を消し、光源を点灯させた状態で操作を続けます。コンピュータ上で、主鏡のライブカメラ映像をモニターし、各視点間の粒子密度の差を観察することで、それぞれの視点の照明状態を確認してください。本実験の配置では、上部の2枚の鏡に届く光が少なくなります。セットアップ時に、タンク底部の光源の下に平面鏡を追加して、この問題を解消してください。光源の下で、この追加操作により視野全体のばらつきを抑えることができます。カメラ側で、ゲインとブラックレベルをそれぞれ約0から500の範囲で調整します。目的は、粒子からの光散乱をより正確に捉えることです。このシーケンスでは、ゲインとブラックレベルを変えて撮影した3枚の静止画を比較します。本実験では、ゲイン設定を300、ブラック設定を500として使用しました。光源を消し、室内の照明を点灯させてください。コンピュータで粒子追跡流速測定（PTV）用ソフトウェアを起動します。あらかじめ撮影しておいた校正用画像の一枚を読み込みます。ソフトウェアを使用して、この画像を、各二次ミラーの視野に対応する4つの独立したサブ画像に分割します。これらのサブイメージをそれぞれ別のファイルに保存してください。各イメージは、個別のカメラから得られたものとして使用されます。座標データを用いたキャリブレーション手順および複数カメラ向けの手順に従って進めてください。流速計の光源を点灯させ、データ収集の準備をします。次に、トレーサー粒子を用意し、タンクに投入します。システム内で定常流が形成されるまで待ちます。部屋の照明を消し、カメラのビューをモニターして、このジェット流のスロービデオのように粒子播種密度が適切であることを確認します。問題がなければ、必要な枚数のフロー画像を記録します。データ収集後、収集した画像を4つのサブ画像に分割して保存し、データ処理を開始します。これで準備が整うと、画面上部にメニュー選択肢、右側に異なるカメラビューの表示画面があるPTV画面が開きます。メニュー項目の「start」タブに移動し、クリックしてオプションを表示させます。「image restart」をクリックして、データ内の最初の未処理画像の4つのカメラビューを読み込みます。マウスカーソルをランディレクトリに移動してクリックします。そこから「main parameters」をクリックします。新しいウィンドウで「general」タブに移動します。カメラの台数を入力します。この場合は「4」と入力してください。他のタブで残りのパラメータの入力を行います。完了後、マウスを操作して「preprocess」メニュー項目をクリックします。「high pass filter」をクリックします。これにより、4つの画像における光散乱が強調されます。また、「preprocess」メニュー項目の中から「particle detection」を探してクリックし、検出された各粒子の重心を決定します。次に、「preprocess」メニュー項目で「correspondences」をクリックし、立体視の対応関係を確立します。続いて、「3D positions」メニュー項目に移動します。その下の「3D positions」を選択し、キャリブレーションに基づいて検出された粒子の三次元位置を決定します。「sequence」メニュー項目の中から「sequence without display」を探してクリックし、収集したすべての画像シーケンスに対して前処理ステップを繰り返します。次に、粒子追跡に使用するパラメータを入力してください。その後、「tracking」メニュー項目を選択して進みます。そこから、「display」なしの「tracking」を選択して、隣接するフレームを相関させます。また、「detected particles」を選択して、3D再構成された粒子を可視化します。トラッキングが完了したら、「tracking」メニュー項目に移動し、それを選択してください。「軌跡を表示」をクリックして、各カメラビューの軌跡を可視化します。これにより、各カメラビューに粒子の軌跡が表示されます。また、後処理用のデータファイルが作成されています。これは、パイプジェット径の16倍の平面付近の中間領域における、代表的な3つの粒子軌跡のサンプルです。ジェットコアからの距離が近い場合、これらのデータの1秒間の時間間隔において、より長い軌跡が観察されます。ジェットコアからの距離が増加するにつれて、軌跡の長さは短くなります。パイプジェット径の3倍の距離において、トレーサ粒子は短く複雑な軌跡を示します。ここでは、同一平面を通過し、正常に再構築されたすべての粒子軌跡を示します。速度分布は、0からジェット出口速度の60%の範囲にわたっています。低速度はスペクトルの青色領域に、高速度は赤色領域にあります。解析により、ジェットコア付近の粒子はより滑らかな軌道を示すことが明らかになりました。粒子追跡を行うことで、粒子軌道に沿った曲率を算出することが可能です。これは、2つの平面における、平均曲率にパイプジェット径を乗じた値と、スケーリングされた半径方向距離との関係を示したプロットです。一方は16パイプジェット径、もう一方は17パイプジェット径の位置にあります。どちらも単調に増加していますが、パイプ出口から遠い方の平面では、ジェットコア外の平均曲率が減少しています。このプロットは、管出口から16管径分先の平面におけるジェットの平均主流方向速度分布の情報を提供します。この手法を習得すれば、ソフトウェアによる処理時間を除き、適切に実施した場合6時間で完了させることができます。本手順を行う際は、均一な照明、適切なカメラ設定、および十分な量のトレーサー粒子を準備することが重要です。このビデオを視聴することで、ビュー・スプリッターの設定方法、光源の組み立て、カメラパラメータの制御、およびPTVシステムの最適化について深く理解することができます。開発後、この技術は乱流分野の研究者がラグランジュ流体力学の実験的研究を探索するための道を切り開きました。

three-dimensional-particle-tracking-velocimetry-for-turbulence

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

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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

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