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

この実験の目標は、乱流アプリケーション用の粒子追跡流速測定システムをセットアップして最適化し、それを使用してジェット流を研究することです。この方法は、流れのラグランジュ記述を使用して、乱流場の主要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、時間と空間で大量の粒子を追跡できることです。

この方法では、乱流とラグランジュ座標系に関する洞察を得ることができますが、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アプリケーションにも適用できます。この実験のセットアップは、パイプジェットの中間流れ場の研究のためのものです。この水で満たされたタンクには、直径1センチメートルのジェットを作成するための水路があります。

この回路図は、3次元粒子追跡速度測定用の機器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、調査領域であるインテロゲーションボリュームを特定します。この実験では、その面が大きなボリュームの面と平行で、水路の端から15センチメートルのところに最も近い点を持つ立方体です。

インテロゲーション・ボリュームを選択したら、プライマリ・ミラーの配置から始めます。ミラーはピラミッド型で、実験タンクの側面に沿った垂直の取り付け支柱に取り付けられています。ミラーをポストに沿ってスライドさせて、尋問ボリュームの中心と同じ高さにし、所定の位置に固定します。

次に、カメラを主鏡の後ろに取り付けます。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ます。次に、コンピューターに移動して、カメラとの接続を確認します。

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て続行します。主鏡とその周囲のカメラビューから始めます。ソフトウェアの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て、プライマリミラーを覆うようにします。

次のステップは、セカンダリミラーをセットアップするためにタンクにキャリブレーションターゲットを配置することです。このターゲットは、インテロゲーション ボリューム全体を包含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ミリメートルのターゲットポイントがあります。

まず、ターゲットを支えるために、高さ調節可能なプラットフォームをタンクに配置します。キャリブレーションターゲットをプラットフォームに配置し、カメラに向けます。キャリブレーションターゲットの中心とキャリブレーションボリュームの中心に一致するように、プラットフォームの高さを調整します。

4つのビュースプリッターを完成させて進めます。プライマリミラーの位置を調整して、インテロゲーションボリューム全体をキャプチャします。セカンダリミラーは、プライマリミラーの両側にある垂直取り付けポストに取り付けられています。

各セカンダリ ミラーは、プライマリ ミラーの最も近い側からのカメラ ビューとほぼ揃うように取り付けます。セカンダリミラーを所定の位置に固定します。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ります。

レーザーポインターを使用して、順番に鏡に向けると、画像のパスが視覚化されます。ビームパスをガイドとして使用してセカンダリミラーの最終調整を行い、ビューがキャリブレーションターゲット全体を囲むようにします。イメージ パスの視覚化を繰り返し、残りの各セカンダリ ミラーを調整します。

すべてのミラーを調整したら、カメラビューのサブ画像を監視します。コンピューターで、画像のカメラビューを観察します。ビュー スプリッターで、セカンダリ ミラーの 1 つを移動して、サブイメージのオーバーラップを調査します。

ミラーが移動するときに 1 つのビューのみが変化する場合、オーバーラップはごくわずかです。4ウェイスプリッターを取り付けた状態で、カメラの電源を切り、照明の操作に移ります。インテロゲーションボリュームを上から真正面に向けて光源を配置します。

この実験では、光源の真下に拡大レンズを配置して、光の強度を高めます。光源をオンにし、インテロゲーションボリューム全体に光が均一に分布していることを視覚的に確認します。セットアップの最適化を開始するには、カメラの操作に戻ります。

主鏡を通る反射が副鏡の 4 つのビューすべてで等しく焦点が合うまで、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、問い合わせボリュームが表示されていることを確認します。次に、キャリブレーションターゲットの最も近いポイントと最も遠いポイントの両方をキャプチャできるように、fストップを調整します。

カメラは、インテロゲーションボリューム内のトレーサーパーティクルのみをキャプチャします。この時点で、録音ソフトウェアに目を向けます。目的のフレームレートを設定します。

この実験には550ヘルツが使用されます。次に、選択したフレームレートに応じて光感度を最大化します。次に、キャリブレーションターゲットのキャリブレーション画像を撮影する準備をします。

LED懐中電灯をターゲットの真上のタンクに取り付けて照らします。4つのビュースプリッターを介してターゲットの複数の画像をキャプチャし、後のキャリブレーション手順に使用します。完了したら、キャリブレーションターゲット、そのサポートスタンド、およびライトを取り外して、照明の調整を開始します。

照明を最適化するために、少量の播種粒子を準備します。水が入った小さなビーカーを用意し、それに播種粒子を追加します。パーティクルが拡散するのを待ちます。

粒子は100マイクロメートルの銀コーティングされた中空セラミック球です。混合物をタンクに注ぎ、照明とカメラの設定の最適化を支援します。部屋の照明を消し、光源をオンにした状態で続行します。

コンピューターで、主鏡のライブカメラビューを監視し、ビュー間の粒子密度の違いを観察して、各ビューの照明を確認します。この実験の形状により、上部の 2 つのミラーが受ける光が少なくなります。セットアップでは、タンクの底にある光源の下にフラットミラーを追加することでこれを改善します。

光源の下では、この追加により、ビュー全体のばらつきを減らすことができます。カメラでゲインと黒のレベルをそれぞれ約0〜500の範囲で調整します。目標は、粒子からの光散乱をより適切に捕捉することです。

このシーケンスでは、ゲインと黒のレベルが異なる 3 つの静止画が比較されます。この実験では、ゲイン設定を 300 に、黒に設定 500 を使用しました。光源をオフにし、部屋の照明をオンにします。

コンピュータで粒子追跡速度測定のためのオープンソフトウェア。アイデアは、以前に撮影したキャリブレーション画像の1つをロードすることです。ソフトウェアを使用して、このイメージを、異なるセカンダリ ミラー ビューに対応する 4 つの独立したサブイメージに分割します。

これらの各サブ画像を異なるファイルに保存します。各画像は、別々のカメラから撮影されたかのように使用されます。座標データと複数のカメラの手順を使用して、キャリブレーション手順に進みます。

速度測定光源をオンにして、データ収集の準備をします。次に、播種粒子を取得し、それらをタンクに追加します。システム内で定常状態の流れが発達するのを待ちます。

部屋の照明を消した状態で、カメラビューを監視して、ジェットフローのこの遅いビデオのように、正しい粒子のシーディング密度を確認します。問題がなければ、必要な数のフロー画像を記録します。データが収集されたら、収集した画像を 4 つのサブイメージに分割して保存することにより、データ処理を開始します。

これが完了すると、開いているPTV画面が表示され、上部にメニューの選択肢が表示され、右側にさまざまなカメラビューのディスプレイが表示されます。メニュー項目のスタートタブに移動し、クリックしてオプションを表示します。[画像の再起動] をクリックして、データ内の最初の RAW 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runディレクトリに移動し、クリックします。そこから、メインパラメータをクリックします。新しいウィンドウで、[一般]タブに移動します。

カメラの数(この場合は4台)を入力します。他のタブでパラメータの入力を続けます。完了したら、マウスを動かして前処理メニュー項目をクリックします。

そこで[ハイパスフィルター]をクリックします。その結果、4 つの画像の光散乱が強まります。また、前処理メニュー項目で、検出された各粒子の重心を決定するために、粒子検出を見つけてクリックします。

次に、前処理メニュー項目の下で「対応」をクリックして、立体的な対応を確立します。次に、3Dポジションメニュー項目に移動します。その下で3D位置を選択し、キャリブレーションに基づいて検出された粒子の3次元位置を決定します。

シーケンスメニュー項目で、表示なしのシーケンスを検索してクリックし、収集されたすべての画像シーケンスの前処理手順を繰り返します。次に、追跡するパーティクルの識別に使用するパラメータを入力します。追跡メニュー項目を選択して続行します。

そこから、表示なしのトラッキングを選択して、隣接するフレームを関連付けます。また、検出された粒子を選択して、3D再構成された粒子を視覚化します。追跡が完了したら、追跡メニュー項目に移動して選択します。

[モーション パスを表示] をクリックして、各カメラ ビューでモーション パスを視覚化します。これで、各カメラ ビューにパーティクルの軌跡が描かれました。さらに、後処理用のデータファイルが作成されています。

これは、パイプジェットの直径の16倍の平面の周りの中間場領域における3つの代表的な粒子の軌跡のサンプルです。ジェットコアからの距離が小さいと、これらのデータの1秒間隔でより長い軌道が観測されます。ジェットコアからの距離が長くなると、軌道の長さは短くなります。

パイプジェット径の3倍で、トレーサー粒子は短く複雑な軌道を示します。以下は、同じ平面を横切る、正常に再構築された粒子の軌跡のすべてです。速度の分布は、ジェットの出口速度の0〜60%の範囲です。

低速度はスペクトルの青の範囲にあり、高速は赤の範囲です。解析の結果、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。粒子追跡により、粒子の軌跡に沿った曲率を計算できます。

これは、平均曲率にパイプ ジェットの直径を掛けた値と、2 つの平面のスケーリングされた半径方向の距離をプロットしたものです。1つは16で、もう1つは17パイプジェット直径です。どちらも単調に増加しますが、パイプ出口から遠い平面では、ジェット コアの外側の平均曲率が減少します。

このプロットは、パイプ出口を越えた平面の 16 本のパイプ ジェット直径におけるジェットの平均流方向速度分布に関する情報を提供します。この手法を習得すると、ソフトウェアを使用した処理時間を除いて適切に実行すれば、6時間で実行できます。この手順を試行する際には、均一な照明、正しいカメラ設定、および十分な量のシード パーティクルを使用することを忘れないでください。

このビデオを見れば、ビュースプリッターの設定方法、光源の組み立て方法、カメラパラメータの制御方法、PTVシステムの最適化方法について十分に理解できるはずです。この手法の開発後、乱流の分野の研究者がラグランジュ流力学の実験的研究を探求する道を開きました。