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>
<li>Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/settling-regimes-of-inertial-particles-in-isotropic-turbulence/522507173B16D8A91F7A911582628E9A">Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence.</a> Journal of Fluid Mechanics. 759, R3(2014).</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

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

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このプロトコルは、その場動物によって生成されたフローでの定量化のために設計されている自己完結型水中速度計測装置（SCUVA）を、使用する方法について説明します。さらに、このプロトコルは、フィールドの条件によってもたらされる課題に対処し、そして動物の位置、およびSCUVAの方向を予測する、演算子の動きが含まれています。...

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。...

マルチカメラライトフィールドイメージングを介して3D流れ場の決定

マイクロ粒子画像流速（μPIV）が正確な速度プロファイルを与えるクロス相関である血流に播種したマイクロ粒子のペアのイメージを視覚化するために使用されます。臨床用途を有する各々が剪断速度、最大速度、速度プロファイルの形状、流量は、これらの測定値から導出することができる。...

マイクロ血流の速度プロファイル測定用マイクロ粒子画像流速

このビデオでは、第1の弾性表面波（SAW）音響向装置の製作および操作手順を説明する。我々はその後、質的流れの可視化とSAWポンプ装置内の複雑な流れの定量分析の両方を可能にした実験のセットアップを示しています。...

表面弾性波駆動型アコースティック·逆流マイクロフルイディクスで製作、操作と流れの可視化

高分解能、高速の粒子画像流速（PIV）を用いて境界の近くに一時的なフローを研究するための手順は、ここで記載されている。...

表面近くの高速粒子画像流速

共焦点顕微鏡は、魅力的な懸濁液のためのモデル系として研究されている画像の静止や流れるコロイドポリマー混合物に使用されます。画像解析アルゴリズムは、幾何学的な閉じ込めに起因する変化を測定するコロイド粒子のための構造的および動的メトリックを計算するために使用される。...

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

バイオフィルムは、周囲の環境と複雑な相互作用を持っています。バイオフィルムと環境の相互作用を包括的に研究するために、バイオフィルム開発のための不均一な化学環境を作り出すための一連の方法、局所的な流速の定量化、およびバイオフィルムコロニー内および周囲の物質輸送を分析するための一連の方法を紹介します。...

バイオフィルムと生息地異質の共同開発を特徴付けるための方法

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

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

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.

流れ可視化手法によるデルタ翼上の流れ構造に関する実験的研究

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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