오리엔테이션 및 회전 속도 측정하는 방법 난류의 입자를 3 차원 인쇄

이 실험의 전반적인 목표는 3D 프린터를 사용하여 다양한 모양의 입자를 제작하고 난류 흐름에서 입자의 움직임을 측정하는 것입니다. 이 방법은 난류 유체 흐름에서 입자가 어떻게 회전하고 정렬되는지와 같은 유체 역학의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 방법의 주요 장점은 이전 방법으로는 달성할 수 없었던 복잡한 모양의 입자 방향에 대한 정밀한 시간 분해 측정이 가능하다는 것입니다.

이 방법은 난류에서 디스크와 구의 움직임에 대한 통찰력을 제공했으며 다른 많은 상황에서 복잡한 모양을 가진 입자의 역학을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 일반적으로 이 방법을 처음 접하는 개인은 3D 카메라 보정과 사용 중인 특정 입자에 대한 방향 찾기 알고리즘을 조정하는 데 어려움을 겪을 것입니다. 이 절차를 시연하는 데 도움을 줄 사람은 십자가와 잭으로 원래 실험을 수행한 Guy Marcus가 될 것입니다.

먼저 CAD(Computer Aided Design) 소프트웨어를 사용하여 인쇄용 입자 모델을 생성합니다. AutoCAD를 사용하여 트라이어드를 만들려면 먼저 circle 명령을 사용하여 지름이 0.3mm인 원을 그립니다. 그런 다음 돌출 명령을 사용하여 3mm 길이의 원통을 만듭니다.

이 크기의 원통은 입자의 빌딩 블록입니다. 이제 회전 명령을 사용하여 회전축을 X축을 따르도록 선택하고 회전 각도를 90도로 선택합니다. 다른 실린더와 함께 작업할 수 있는 공간을 허용하도록 뷰를 조정합니다.

다음으로, 트라이어드의 두 번째 암이 될 실린더의 복사본을 만듭니다. 이 원통의 끝에서 Z축을 따라 회전축과 함께 3D 회전 명령을 적용합니다. 트라이어드에 대해 실린더를 120도 회전합니다.

회전된 원통을 트라이어드의 암을 형성하도록 위치로 이동합니다. 실린더 끝의 중심이 일치해야 합니다. 같은 방법으로 세 번째 암을 만들고 배치합니다.

그런 다음 수직 또는 수평 접근을 따라 원통이 연결되지 않도록 개체를 회전합니다. 모든 암이 배치되면 모두 선택하고 union 명령을 사용하여 단일 오브젝트로 결합합니다. 파일을 3D 인쇄용 형식으로 저장합니다.

유사한 단계에 따라 실험에 사용할 다른 입자를 만듭니다. 트라이어드 외에도 공통 중심을 가진 두 개의 직교 실린더로 만든 십자가, 공통 중심을 가진 세 개의 상호 직교 실린더로 만든 잭, 실린더가 공통 끝을 공유하고 서로에 대해 109.5도 각도를 이루는 테트라드가 있습니다. 대략 10 의 각 입자 유형의 000가 고해상도 형태에서 인쇄해 달라고 하십시오.

인쇄된 입자를 중성 부력이 있는 용액에 보관할 준비를 합니다. 이를 위해 염화칼슘 용액과 중성 부력 밀도에서 약 1, 600리터의 물을 사용하십시오. 각 유형의 입자를 저장하기 위해 약 1리터의 용액을 제거하십시오.

용액 리터를 벤치로 가져 가서 입자에 대한 작업을 시작하십시오. 이 실험에 사용된 입자는 상업적으로 인쇄되었습니다. 그들은 지지 재료로 사용되는 수지로 싸여 도착합니다.

큰 조각을 작은 부분으로 부드럽게 부수어 입자를 제거합니다. 여분의 수지가 많이 벗겨질 때까지 각 섹션을 수동으로 마사지하십시오. 이렇게 하면 이후 단계가 더 쉬워집니다.

입자를 추가로 청소하려면 비커에 수산화나트륨의 10% 질량 x 용액을 준비하십시오. 다음으로 일부 입자와 잔여물을 비커에 넣어 수지를 제거합니다. 용액이 담긴 비커를 초음파 수조로 옮깁니다.

입자를 초음파 수조에 처음 1시간 동안 보관한 다음 헹굼 후 추가로 30분 동안 보관하십시오. 입자를 회수하려면 수조와 필터에서 수산화 나트륨 용액을 수용 할 두 번째 비커를 준비하십시오. 초음파 세척 단계가 완료되면 장갑을 사용하여 수조에서 비커를 제거하고 필터를 통해 내용물을 두 번째 비커에 붓습니다.

변형을 방지하기 위해 입자가 가라앉을 밀도가 일치하는 용액으로 이동하기 전에 입자를 헹굽니다. 이들은 수지에서 분리되고 초음파 수조에서 세척 된 입자이며 이제 녹색 레이저 광에서 형광을 발하도록 염색 할 준비가되었습니다. 입자를 염색하려면 물에 1리터의 로다민-B 염료 용액을 사용하여 핫 플레이트에 놓습니다.

이 입자의 재료에 대해 염료를 섭씨 80도까지 가열하십시오. 작은 용기에 보관된 입자를 느슨하게 채웁니다. 이것은 약 2, 500개의 입자가 될 것입니다.

염료 용액에 입자를 넣고 담그는 동안 온도를 유지하십시오. 약 2-3시간 후에 열에서 용액과 입자를 제거하십시오. 메쉬와 별도의 용기를 사용하여 용액에서 입자를 걸러냅니다.

열에 부드러워지는 동안에는 손상되지 않도록 주의하세요. 그런 다음 입자를 조심스럽게 헹구어 과도한 염료를 제거합니다. 완료되면 실험에 필요할 때까지 중성 부력 용액에 보관하십시오.

실험은 흐름 중심에 있는 입자를 기록하기 위해 카메라가 배치된 탱크에서 진행됩니다. 이 회로도는 팔각형 단면이 있는 탱크 설정, 난류를 생성하는 데 사용되는 진동 그리드, 측정 볼륨 및 카메라 위치에 대한 개요를 제공합니다. 방향 측정 정확도를 위해 최소 4대의 카메라를 사용하십시오.

각 카메라는 초당 450프레임의 메가픽셀 해상도가 1개 이상이어야 하며 전용 컴퓨터에 연결되어 있어야 합니다. 둘 사이에 큰 각도로 카메라를 배치하고 모두 원하는 측정 볼륨에 초점을 맞추고 있는지 확인합니다. 광학 왜곡을 최소화하기 위해 보기 포트는 카메라 보기 방향에 수직인 탱크에 내장되어 있습니다.

다음으로, 탱크의 측정 볼륨에 이미지 보정 마스크를 놓습니다. 이를 통해 카메라에서 수집한 실험 데이터를 분석할 수 있습니다. 실험 조건을 시뮬레이션하려면 벌크 중성 부력 용액으로 탱크를 채우기 시작합니다.

탱크가 가득 차면 조명을 설정하여 마스크를 비춥니다. 그런 다음 카메라 작업으로 돌아갑니다. 마스크의 동일한 지점에 각 카메라의 초점을 맞춘 다음 보정을 위해 이미지를 획득하고 저장합니다.

탱크를 배수한 후 네오디뮴 이트륨 알루미늄 가넷 레이저를 배치하여 실험 설정을 계속합니다. 레이저 빔의 일부를 미러로 향하게 하는 빔 스플리터를 배치합니다. 빛은 거울에서 원통형 빔을 형성하는 렌즈를 통해 탱크로 이동합니다.

탱크의 반대편에 거울을 배치하여 경로를 따라 빠져 나오는 레이저 광을 반사합니다. beam splitter의 다른 출력과 유사한 mirrors 및 lens 배열을 사용하여 이 평면도 회로도에서와 같이 첫 번째 빔에 수직인 원통형 빔을 생성합니다. 빔이 나오는 미러는 보다 균일한 조명을 만드는 데 도움이 됩니다.

그런 다음 탈기된 중성 부력 염화칼슘 용액으로 채워진 탱크를 검사합니다. 계속하기 전에 카메라와 데이터 수집 소프트웨어가 준비되었는지 확인하십시오. 이 실험을 위해 준비된 약 10, 000개의 테트라드를 탱크에 추가할 준비를 합니다.

탱크 상단의 포트 근처 위치로 이동합니다. 준비가 되면 포트를 열고 탱크의 물에 입자를 추가합니다. 모든 입자가 추가되면 포트를 닫습니다.

다음으로 레이저로 이동합니다. 거기에서 전원을 켜고 레이저 조리개를 엽니다. 그런 다음 그리드 컨트롤을 사용하여 3Hz에서 진동하는 그리드를 시작합니다.

탱크에서 난류가 완전히 발달할 수 있도록 그리드를 약 1분 동안 진동시킵니다. 이 시점에서 데이터 수집을 시작하고 약 100만 프레임을 기록합니다. 실행이 끝나면 데이터 수집을 중지하고 레이저 조리개를 닫습니다.

모든 실험이 실행된 후 탱크 배출구로 이동합니다. 거기에 용액에서 입자를 제거하는 필터를 놓고 탱크를 비우십시오. 수집된 입자는 나중에 사용할 수 있도록 중성 부력 용액에 보관하십시오.

입자 위치와 방향을 찾기 위해 소프트웨어를 사용하여 기록된 이미지에 대한 데이터 분석을 수행합니다. 다음 단계는 소프트웨어에서 구현됩니다. 4개의 카메라로 캡처한 입자의 4개의 동기 이미지부터 시작하여 2차원 정보를 사용하여 3차원 위치를 결정합니다.

카메라 보정 매개변수를 사용하여 조명된 입자의 3차원 수치 모델을 각 카메라에 투영합니다. 이렇게 하면 4개의 카메라 모두에서 입자의 빛 강도에 대한 2차원 모델이 생성됩니다. 다음으로, 비선형 최소 제곱 피팅 루틴을 실행하여 4개의 카메라 모두에서 보이는 것과 가장 잘 맞는 모델 방향을 찾습니다.

4개의 카메라 모두의 정보를 결합하여 각 카메라에 투사된 모델과 관찰된 입자 간의 차이를 최소화합니다. 이 단계는 모든 카메라의 시야에 파티클이 있는 모든 프레임에 대해 수행됩니다. 이것은 위치와 방향에서 테트라드의 진화입니다.

테트라드 암의 방향이 불연속적으로 변경되는 것을 주목하십시오., 이는 보호 장치 없이 가질 수 있습니다. 테트라드 진화의 이 두 번째 버전은 소프트웨어가 각 프레임의 오일러 각도가 이전 프레임에 비해 가장 작은 회전이 되도록 보장한다는 것을 보여줍니다. 위치 및 방향 정보는 나중에 사용할 수 있도록 저장됩니다.

이것은 실험에서 테트라드의 카메라 이미지 중 하나입니다. 두 번째 이미지에서 중첩된 모델은 알고리즘이 찾은 방향을 나타냅니다. 2차원 강도 모델의 단순성에도 불구하고 이 방법은 입자 방향을 정확하게 측정합니다.

실험에서는 방향 찾기 알고리즘을 사용하여 모든 입자의 전체 궤적을 따라 오일러 각도의 진화를 얻습니다. 이것은 시청 볼륨에 걸친 테트라드의 전체 궤적을 재구성한 것입니다. 이는 4개의 카메라 모두에 의해 시야에 들어오는 각 프레임에 대한 입자의 방향과 3차원 좌표를 결합하여 달성됩니다.

트랙의 길이는 229프레임입니다. 파티클은 배율에 맞게 그려지지 않습니다. 또한 이 데이터를 통해 측정된 텀블링 속도의 확률 밀도 함수를 결정할 수 있습니다.

빨간색 사각형은 십자가에 대한 데이터입니다. 파란색 원은 잭에 대한 데이터입니다. 실선은 구의 수치 시뮬레이션 결과를 나타내며, 이는 실험 데이터와 매우 잘 일치합니다.

이 기술을 숙달하면 제대로 수행하면 3일 안에 완료할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 밀도가 다른 용액에서 입자를 몇 시간 동안 허용하는 것이 중요합니다. 또한 실험 기간 동안 카메라가 적절하게 정렬, 고정 및 동기화되었는지 확인하는 것도 중요합니다.

이 절차에 따라 추적 입자 추적과 같은 다른 방법을 사용하여 3D 프린팅 입자가 주변 흐름의 전체 속도 구배 텐서에 어떻게 반응하는지 측정할 수 있습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 4개의 입체 비디오 이미지를 사용하여 난류 흐름에서 속도 구배 텐서에 대한 정보를 추출하기 위해 이방성 입자를 사용하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 로다민-B 염료 및 수산화나트륨으로 작업하는 것은 위험할 수 있으므로 이 절차를 수행하는 동안 항상 장갑 및 고글과 같은 예방 조치를 취해야 한다는 것을 잊지 마십시오.