Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: 学ぶ粒子画像流速計測法と高速カメラを用いた低コストな粒子運動と乱流の同時計測法。沈降粒子の軌跡と乱流速度を非侵襲的に測定し、流れと粒子の相互作用を詳細に解析する革新的手法です。

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この作品の一部は、II-VI の基礎および沿岸カロライナ プロ強化助成によってサポートされていました。我々 はまたコリーヌ ・ ジェイコブス、マレク Jendrassak およびウィリアムの商人が実験のセットアップに関するヘルプを確認したいと思います。

<ol><li>Maxey, M. R. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/gravitational-settling-of-aerosol-particles-in-homogeneous-turbulence-and-random-flow-fields/2B97656A8ACDA551DCDE27AD7BA8B803">The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields.</a> Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).</li>
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記載法は比較的高価と同時に粒子運動に及ぼす流れの影響を調べるために粒子軌道と乱流を測定する簡単な方法を提供します。特筆したフローまたは強く三次元粒子の運動はこの手法に適してないです。面外運動は 2次元の軌跡の PIV 解析エラー17になり、最小化する必要があります。さらに、メソッドには、比較的低い (PT 画像あたり粒子の数) の順序を追跡した粒子の濃度が必要です。この制限は、連続画像で同じ粒子を追跡することの信頼を最大化するために重要です。軌道計算の誤り、PT カメラの FOV であまりにも多くの粒子が同時に存在するし、PIV 画像解析でエラーが増加だけでなく、軌道の早期終了が発生することが。その結果、粒子の凝集に関連する問題は、この手法が大粒子濃度は通常必要なので調査するために挑戦でしょう。最後に、この手法はより大きい粒子を追跡に最適です (> 50 μ m)。追跡されている粒子から PIV トレーサー (~ 10 μ m) の間の十分な分離が必要があります。少なくとも 5 倍お勧めします。
粒子追跡のプロトコルの最も重要なステッ...

乱流場における粒子挙動を含む科学や工学の分野でアプリケーション、大気汚染物質やエンジニア リング システム、および海洋堆積物におけるエアロゾルの多数が存在します。マイクロ有機体または海1,2,3の沈殿物。このようなアプリケーションで粒子が乱流は、粒子の運動と流体力学の同時測定が必要に応答する方法を理解する関心の頻繁です。
粒子追跡 (PT)、個々 の粒子軌跡と粒子画像流速測定法4,5 (PIV) の統計的手法をトラックと呼ばれる、粒子の運動を測定する既存の技術流れを測定するために使用速度、両方は、非侵入型の光学技術を組み込みます。同時に両方の気流と粒子の運動を測定するこれらの非侵入型の光学技術を使用しての主な課題は他の測定精度 (干渉できないそれぞれのイメージングに必要な別の照明例えば粒子の運動を測定するための照明源として機能できません流体の速度計測と逆に大きなノイズ源)。画像のコントラストの画像の両方のセットには、信頼性の高い結果を得るのに十分な必要があります。たとえば、PT 画像はパーティクルの位置を決定するためのブロブ解析を実行するために黒と白の画像に変換されます。したがって、十分なコントラストは、パーティクルの位置のエラーに します。PIV 流体速度の推定に誤りが発生する低信号対雑音比の画像量でコントラストが低い。
ここでは、同時に両方の粒子の運動と流れの速度を測定するため比較的低コストでシンプルな方法を説明します。ハイパワー単色発光ダイオード (LED) 一筋の光、どこ行光絞り値、およびデュアル ヘッド高強度レーザーを参照しているの使用によって興味の粒子に流れ場が同じ地域に同時に作成されます。LED の高出力ですが高速カメラによる (履歴) 粒子のイメージングのための十分な PIV トレーサーからの散乱光の強度が低すぎるため PIV 画像は影響しません。ときデュアル ヘッド高強度レーザー点灯 PIV 画像に対する流れ場短い時間間隔で発生し、これらのイメージを簡単に識別および登録されたとき高速 PT カメラによって得られた時系列データから削除します。PIV レーザー シリーズは、お互いに見合ったフレーム集録レートで 2 つのシステムを実行しないことで最小化できる高速画像 (粒子追跡の使用) 時間で記録。高度な設定で、これが発生しないように、遅延と PT と PIV カメラを引き起こす可能性がある外部から 1 つ。最後に、PIV の視野 (FOV) 内で追跡される粒子の量を慎重に検討、によって PIV 画像の相関分析でこれらの追跡の粒子によって導入されたエラーがすでに考慮全体的な誤差評価によってPIV トレーサー尋問ウィンドウ内の非一様分布に関連するエラーを含む。トレーサーを播種 PIV の大半、流れを次正確な流量速度推定値を降伏します。これらの技術は、2次元平面粒子運動と流れ場の両方の直接計測を有効にします。
この手法は、乱流、ヤン ・恥ずかしがり屋6 ・ ジェイコブスらによる研究で用いられている類似の沈降性粒子を確認することを適用することで示されて7します。 一般的に浮遊、トランスポート、および解決から成っている、土砂移動の最終段階は、粒子の沈降。乱流中の粒子沈降を対処しているほとんどの事前調査で、粒子軌道または乱流速度直接測定されないが、理論的に推定されるまたは8,9,10をモデル化します。粒子群と乱れの相互作用の詳細についてよく調べた両方を同時に測定する実験の制限により理論的および数値モデルを用いた6,11。乱流と粒子とのカップリングの沈降速度を用いて振動のグリッド施設における粒子乱流との対話事例を紹介します。わかりやすくするため、我々 が呼びます「粒子」と「トレーサー」; として、piv 用シード粒子として調査中粒子さらに、我々 は「粒子追跡」、"PT"、または「高速画像」とカメラの PIV 法「PIV カメラ」の使用を測定する「高速」カメラとして粒子軌道の高速撮像用カメラを参照する「イメージ」を測定します。記載方法は、施設内の事前定義されたフィールド経由粒子運動学と流体力学の同時測定をできます。得られたデータは、二次元粒子乱れの相互作用についてを説明します。

<table><tbody><tr><td>光学レンズ</td><td>CVIレーザー光学</td><td>Y2-1025-45、RCC-25.0-15.0-12.7-C、PLCC-25.4-515.1-UV</td><td>その他の光学会社も可。PIVライトシートを生成するための球面レンズとサイクリンドリカルレンズ。</td></tr><tr><td>PIV用カメラレンズ</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2D</td><td>他のカメラレンズ会社でも構いません。PIVイメージング用のカメラレンズ。</td></tr><tr><td>高速用カメラレンズ</td><td></td><td>Nikon Nikkor 50mm F1.8D</td><td>他のカメラレンズ会社でも構いません。高速イメージング用のカメラレンズ。</td></tr><tr><td>デュアルヘッドパルスレーザー</td><td>Quantel</td><td>EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz</td><td>他のレーザー会社も可。PIV用デュアルヘッドパルスレーザー:Nd:YAG</td></tr><tr><td>LEDラインライト</td><td>Gardasoft Vision, Ltd.</td><td>VLX2 LEDライン照明 - 緑 - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04</td><td>他の会社もご利用いただけます。LED用ラインライト。</td></tr><tr><td>PIVシーディングパーティクル/トレーサー</td><td>ポッターズインダストリー</td><td>ズ 球状中空ガラス球:平均直径11 mm</td><td>他の会社でも構いません。PIVシーディング粒子</td></tr><tr><td>CCD相互相関カメラ</td><td>TSI株式会社</td><td>POWERVIEW 11M:CCD、二重露光、4008x2672ピクセル@ 4.2 Hz、12ビットダイナミックレンジ</td><td>他の会社でも構いません。PIVイメージング用の二重露光、CCDカメラ。</td></tr><tr><td>ハイスピードカメラ</td><td>フォトロン</td><td>FASTCAMSA3;モデル60K:1024x1024ピクセル@ 1kHz</td><td>他の会社でもかまいません。高速イメージング用のCMOSカメラ。</td></tr><tr><td>シンクロナイ</td><td>ザーTSI株式会社</td><td>LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036</td><td>他社でも可PIVカメラとレーザーの取り込みを同期します。</td></tr><tr><td>キャリブレーション対象</td><td>TSI株式会社</td><td></td><td>他の会社でも構いません。画像キャリブレーションの精密ターゲット。</td></tr></tbody></table>

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

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

科学や工学の分野で多くの問題を含む汚染物質、海洋微生物、海洋、または流動床炉で堆積物と燃焼過程など、乱流中の粒子の運動を理解することシステムを設計されています。このような流れ中の粒子の運動の乱れの影響を研究するために両方の気流と粒子の運動の同時測定が必要です。非侵入、オプティカル フロー測定技術、乱流の測定や粒子を追跡するための存在が、技術間の干渉のために挑戦することができます両方を同時に測定します。ここに提示されたメソッドは、気流と粒子の運動の同時測定を行う低コストかつ比較的簡単な方法を提供します。流れの断面を用いて粒子画像流速測定法 (PIV) の技術、測定点における速度の 2 つのコンポーネントを提供します。この手法は、デジタル カメラによる撮影であるシード流れ場の照明のためのパルス レーザーを採用しています。粒子運動は、発光ダイオード (LED) 線、PIV の視野 (FOV) と重複する流れの 2 次元断面を照らす光を使用して同時に作成されます。ライト線は十分な低消費電力の PIV 計測には影響しませんが、高速カメラを用いた関心の大きい粒子を照らすには十分に強力なイメージです。PIV 手法からレーザー パルスを含む高速のイメージは、各高速画像の合計強度レベルを調べることで簡単にフィルター処理されます。高速カメラのフレーム レートを PIV カメラのフレーム レートの非整合させて、高速時系列で汚染されたフレームの数を最小化できます。技術は主に 2 次元平均流れに適した、少なくとも 5 回播種トレーサー、PIV の平均直径と低濃度の粒子を含んでいます。

実験装置の概略図を図 1に示します。図は (LED とレーザー) ライトのシートの配置、重複、FOVs で発振グリッド、水槽の壁を基準にして FOVs の位置です。粒子と乱流は同時にプロトコルのセクションで説明されているように測定されます。瞬時流速およびサンプル粒子軌道に沿って渦度の測定の結果の例を図 2に示します。乱流変動の RMS をコンピューティングに基づく PIV 解析の結果が評価されます。この発振のグリッド設備の PIV FOV で RMS 速度変動の空間的な平均の大きさは両方速度コンポーネント7,15グリッド周波数で増やす必要があります。この結果が得られない場合、グリッドの施設、PIV のセットアップ、または PIV 解析エラーが含まれてし、繰り返す必要があります。別のグリッド周波数の RMS 流速変動の鉛直プロファイルの例は...

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) を用いて乱流、粒子の運動が重複するフィールド-の-ビューで高速カメラで得られた画像から計算されます。

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

工学と自然科学の両方の多くの分野は、流体粒子相互作用に関連する問題を伴います。この方法は、粒子軌道と流速の両方の比較的低コストで非侵入的な同時光学測定を提供する。ここでは、乱流流の沈降粒子の沈降速度を測定し、同じ場所で乱流速度を同時に測定しながら、粒子軌道の詳細な特徴付けを可能にします。粒子像の前地起量の設定を開始するには、二重ヘッド高輝度パルスレーザーを、流量設備に合わせて光学プレート上で水平に固定します。レーザーに合わせて円筒形のレンズを配置し、振動グリッドの下にある2D光面を生成します。その後、円筒レンズの後に球状レンズを設置し、厚さ5~1ミリのシートを生成します。次に、PIVの画像を記録するために、ライトシートに垂直に二重露光CCDカメラを配置します。レンズをカメラに取り付け、オンにして、フリーモードと連続モードに設定します。PIVカメラを乱流施設に粗く焦点を合わせます。画像が希望のライトシートの境界より小さくなるか、または近づくまで、絞りとカメラの位置を調整します。その後、カメラの電源を切り、低強度でレーザーをオンにします。ライトシートが床に対して垂直であることを確認し、グリッドでマークされたキャリブレーションターゲットをライトシートの中央に正確に配置します。PIV カメラがライト シートに対して垂直であり、ライト シートが床または施設の底面に垂直であることを確認することが不可欠です。不整列により、速度投影が正しくないため、流体速度誤差が発生します。レーザーの電源を切り、カメラの電源を入れ直します。カメラをキャリブレーションターゲットに合わせ、1枚の画像をキャプチャします。画像処理ソフトウェアで画像を開き、行、高さ、列の間隔がターゲット全体で一貫していることを確認します。コーナーマーカーのサイズは1ピクセル以下で異なるもので、理想的には同一でなければなりません。画像がこれらの基準を満たしている場合は、キャリブレーションターゲットを削除します。グリッドをインストールし、機能を実行します。次に、PIVトレーサー粒子の大さじいっぱいの液体を導入します。トレーサーと流体が十分に混合されるまで待ってから続行してください。次にレーザーをオンにし、外部制御と高電力に設定します。部屋のライトをオフにして、イメージ ペアをキャプチャしてトレーサーの密度を評価します。徐々に所望の視覚密度にティースプーンフルによってトレーサー濃度を増加させます.次に、PIVカメラのフレームレートを可能な限り高い値に設定し、連続するPIV画像間の時間を設定します。レーザーが適切に構成されていることを確認します。その後、ライトをオフにし、数秒間フリーモードでデータを収集します。クロスは画像のペアを相互に関連付け、取得したデータが良好な品質であることを確認します。終了したら、グリッドの振動を停止します。2D パーティクル トラッキングの設定を開始するには、単色 LED ライン ライトを発振グリッド施設の下に配置し、ライト シートが LED ラインの中央に配置されるようにします。LEDラインライトとレーザーを低電力でオンにします。ライトシートとラインライトが正しく揃っていることを確認し、オフにします。次に、粒子追跡に使用するCMOS高速カメラにレンズを取り付けます。カメラを無料の連続モードまたはライブモードでオンにし、関心のある領域に粗く焦点を合わせます。パーティクル トラッキング カメラの開口の高さと距離を調整して、対象領域が視野に入り、カメラがライン ライトに対して垂直に垂直になるまで調整します。カメラの電源を切ります。ラインライトを点灯し、キャリブレーションターゲットをラインライトの中心に配置します。次に、ラインライトをオフにし、カメラの電源をオンにして、ターゲットに焦点を当てます。キャリブレーションターゲットの画像をキャプチャし、粒子追跡カメラがターゲットに対して垂直で、エッジに画像の歪みのない焦点を合わせ、レベルであることを確認します。後でキャリブレーションターゲットを削除します。次に、収集する高速画像の数を設定します。予想されるパーティクル速度に基づいて、フレーム レートと解像度を、イメージ間のパーティクルの変位を 3 ~ 10 ピクセルにする必要がある値に設定します。グリッドを設置し、LEDラインのライトをオンにして、部屋を暗くします。グリッドの振動を開始し、関心のあるパーティクルの小さな部分をフローに導入します。パーティクルが高速カメラに表示されたら、いくつかのフレームをキャプチャします。パーティクル トラックがイメージ内にはっきりと見えるようにすることが重要であり、パーティクルが平面に残り、頻繁にオーバーラップしないことを示します。これらの基準を満たさないと、パーティクルを正確に追跡できません。可視の入り口効果がないことを確認し、パーティクルのオーバーラップはまれで、パーティクルのモーションは主に平面内に存在します。終了したら、振動を停止します。最終的な校正を開始するには、ライトが薄暗く点灯し、LEDとレーザー光シート内にキャリブレーションターゲットを配置します。レーザーとLEDをオフにして、部屋のライトをオンにします。キャリブレーションターゲットがカメラのFOV内でフォーカスされ、両方のカメラに固有のマークが表示されていることを確認します。両方のカメラでキャリブレーションターゲットの画像をキャプチャします。一意のマークの関連する配置に注意し、カメラがまだレベルであり、エッジの周囲に歪みが表示されなくて済むのを確認します。次に、キャリブレーションターゲットを取り外し、グリッドを取り付けて、振動を開始します。フローが安定した状態に達するように、少なくとも20分間実行します。その後、部屋を暗くし、LEDラインライトを点灯し、粒子を流れに入れます。パーティクルがパーティクルトラッキングカメラ FOV に現れたときに、両方のシステムのレーザーパルスと画像取得を同時に開始します。データの取得が完了したら、画像を保存し、グリッドの振動を停止します。流速分布と粒子軌道を解析します。PIV画像は、瞬時の流体速度および渦度分布に処理することができます。ここでは流体速度ベクトル分布が渦度カラーマップ上にオーバーレイされます。この設定では、PIV視野上の平方根平均二乗流体速度変動の空間平均の大きさは、水平および垂直の両方の速度成分の振動周波数とともに増加するはずです。粒子の軌跡と速度は高速粒子追跡画像から決定することができる。粒子速度の分布は、およそガウスである必要があります。ここで、粒子は一般的に、より小さい球状粒子の粒子よりも標準偏差が大きい粒子速度分布を示した。両方の粒子のセットは、グリッドの振動速度が増加するにつれて、より大きな平均垂直速度とより大きな標準偏差を持つ分布を示したが。合成粒子、工業用砂、および局所的に集められた砂の停滞した流れは、粒子軌道から決定され、ディートリッヒ曲線とほぼ一体と一体と一体的に一定した。粒子がグリッド振動周波数とともに速度を落ち着かせる傾向は、その後の解析でさらに検討された。粒子運動と流体力学の両方の同時光学測定、特に乱流は、2つのイメージング技術間の干渉の可能性があるため、測定の不正確さをもたらすため、困難です。平面外のモーションでは 2D トラッキングとパーティクルの前乗計解析の両方でエラーが発生するため、3 次元の強いフローはこの手法に適していません。同じパーティクルが連続した画像で追跡されているという確信を最大限に高めるために、追跡されるパーティクルの濃度は比較的低くなければなりません。また、PIVトレーサと追跡されるパーティクルは、それらを区別するのに十分なサイズでなければなりません。流速情報と粒子軌道の統合は、何が調査されているかによって決まります。例えば、この方法は、粒子の軌道に沿った特定のインスタンスにおける流速を調べることもできます。この技術は、運動科学の応用である堆積物輸送で実証されたが、流体流れが自然粒子または人工粒子と相互作用する多くの用途に関連している。

simultaneous-measurement-turbulence-particle-kinematics-using-flow

Research

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Engineering

工学

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定量的に測定その場で自己完結型水中速度計測装置（SCUVA）を使用してフロー

流体の流れの範囲のための定量的な3次元（3D）イメージングを行うための方法を提案している。ライトフィールドイメージングの領域から概念を使用して、我々は、画像の配列から3Dボリュームを再構築します。当社の3D結果は速度場および多相気泡サイズ分布を含む広い範囲にわたっています。...

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監禁静止と流れるコロイド·ポリマー混合物の共焦点イメージング

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ここでは、変更された煙流動の可視化手法を使用してデルタ翼に渦の非定常流れを観察し、前縁渦内訳場所の振動のメカニズムを調査するためのプロトコルを提案する.

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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

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