난류 애플리케이션을위한 세 가지 차원 입자 추적 유속계 : 제트 흐름의 사례

이 실험의 목표는 난류 응용 분야를 위한 입자 추적 속도 측정 시스템을 설정 및 최적화하고 이를 사용하여 제트 흐름을 연구하는 것입니다. 이 방법은 흐름에 대한 라그랑주 설명을 사용하여 난류 필드의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 시간과 공간에서 많은 입자 세트를 추적할 수 있다는 것입니다.

이 방법은 난류 및 라그랑주 참조 프레임에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만 모션 캡처 또는 모션 추적과 같은 다른 응용 프로그램에 적용할 수 있습니다. 이 실험의 설정은 파이프 제트의 중간 유동장을 연구하기 위한 것입니다. 이 물로 채워진 탱크에는 직경 1cm의 제트를 생성하는 수로

이 회로도는 3차원 입자 추적 속도 측정을 위한 장비를 추가하기 전에 설정에 대한 개요를 제공합니다. 입자 추적을 준비하려면 연구 영역, 즉 심문 볼륨을 식별합니다. 이 실험에서 그것은 더 큰 부피의 면과 평행한 면과 평행한 면과 수로 끝에서 15cm 떨어진 가장 가까운 지점을 가진 입방체입니다.

심문 볼륨이 선택되면 기본 미러를 배치하는 것부터 시작합니다. 거울은 피라미드 모양이며 실험 탱크 측면을 따라 수직 장착 포스트에 장착됩니다. 기둥을 따라 거울을 밀어 심문 볼륨의 중심과 수평을 이룬 다음 제자리에 고정합니다.

그런 다음 기본 미러 뒤에 카메라를 장착합니다. 카메라 이미지의 중심을 기본 미러의 중심과 일치하도록 설정합니다. 이제 컴퓨터로 이동하여 카메라와의 연결을 확인하십시오.

카메라와 녹화 소프트웨어 간의 인터페이스를 설정하여 계속합니다. 기본 미러와 그 주변의 카메라 뷰부터 시작합니다. 소프트웨어의 관심 영역 설정을 사용하여 기본 미러만 덮도록 카메라 뷰의 너비와 높이를 조정할 수 있습니다.

다음 단계는 탱크에 보정 대상을 배치하여 보조 미러를 설정하는 것입니다. 이 표적은 전체 심문 볼륨을 포괄하도록 맞춤 설계되었습니다. 대상에는 보정을 위한 1mm 직경의 대상 지점이 있습니다.

먼저 높이를 조절할 수 있는 플랫폼을 탱크에 배치하여 목표물을 지지합니다. 플랫폼에 캘리브레이션 타겟을 배치하고 카메라를 향하도록 방향을 지정합니다. 보정 대상의 중심이 보정 볼륨의 중심과 일치하도록 플랫폼의 높이를 조정합니다.

4개의 보기 분할자를 완료하여 진행합니다. 전체 질의 볼륨을 캡처하도록 기본 미러의 위치를 조정합니다. secondary mirror는 primary mirror의 양쪽에 있는 수직 mounting posts에 장착됩니다.

각 보조 미러를 기본 미러의 가장 가까운 쪽에서 카메라 뷰와 대략적으로 정렬되도록 장착합니다. 보조 미러를 제자리에 고정합니다. 최종 배열은 기본 미러에 대해 기하학적으로 대칭이어야 합니다.

레이저 포인터를 사용하여 거울에 차례로 비추어 이미지 경로를 시각화합니다. 빔 경로를 가이드로 사용하여 보조 미러를 최종적으로 조정하여 view가 전체 calibration target을 포함하도록 합니다. 이미지 경로의 시각화를 반복하고 나머지 보조 미러 각각에 대해 조정합니다.

모든 미러를 조정한 후 카메라 뷰의 하위 이미지를 모니터링합니다. 컴퓨터에서 이미지의 카메라 뷰를 관찰합니다. 보기 분할기에서 보조 미러 중 하나를 이동하여 하위 이미지 중복을 조사합니다.

미러가 이동할 때 하나의 뷰만 변경되면 겹침이 거의 없습니다. 4방향 스플리터가 제자리에 있는 상태에서 카메라를 끄고 조명 작업으로 이동합니다. 위에서 심문 볼륨을 직접 향하도록 광원을 배치합니다.

이 실험에서는 광도를 향상시키기 위해 광원 바로 아래에 돋보기 렌즈를 배치합니다. 광원을 켜고 빛이 전체 심문 볼륨에 균일하게 분포되어 있는지 육안으로 확인합니다. 카메라 작업으로 돌아가 설정 최적화를 시작합니다.

primary mirror를 통한 반사가 secondary mirrors의 4개 view 모두에서 동일하게 초점이 맞춰질 때까지 렌즈 초점을 조정합니다. 보기 분할기의 이미지가 대칭인지 확인하고 질의 볼륨을 표시합니다. 보정 대상에서 가장 가까운 지점과 가장 먼 지점을 모두 캡처할 수 있도록 f-스톱을 조정합니다.

카메라는 질의 볼륨에 있는 트레이서 입자만 캡처합니다. 이 시점에서 녹음 소프트웨어로 전환하십시오. 원하는 프레임 속도를 설정합니다.

이 실험에는 550Hz가 사용됩니다. 그런 다음 선택한 프레임 속도에 따라 광 감도를 최대화합니다. 이제 보정 대상의 보정 이미지를 촬영할 준비를 합니다.

조명을 위해 타겟 바로 위의 탱크에 LED 손전등을 부착하십시오. 이후 보정 단계를 위해 4개의 보기 스플리터를 통해 대상의 여러 이미지를 캡처합니다. 완료되면 보정 대상, 지지대 및 조명을 제거하여 조명 조정을 시작합니다.

조명을 최적화하기 위해 소량의 시딩 입자를 준비합니다. 물이 들어있는 작은 비커를 가져 와서 파종 입자를 추가하십시오. 입자가 확산될 때까지 기다립니다.

입자는 100마이크로미터의 은으로 코팅된 속이 빈 세라믹 구체입니다. 조명 및 카메라 설정을 최적화하는 데 도움이 되도록 혼합물을 탱크에 붓습니다. 실내 조명을 끄고 광원을 켠 상태에서 계속합니다.

컴퓨터에서 기본 미러의 라이브 카메라 보기를 모니터링하고 보기 간의 입자 밀도 차이를 관찰하여 각 보기의 조명을 확인합니다. 이 실험의 기하학적 구조로 인해 위쪽 두 개의 거울이 더 적은 빛을 받습니다. 설정에서 탱크 바닥의 광원 아래에 평평한 거울을 추가하여 이 문제를 해결하십시오.

광원 아래에서 이 추가는 뷰 전체의 변동을 줄이는 데 도움이 됩니다. 카메라에서 게인과 블랙 레벨을 각각 약 0에서 500 사이의 범위로 조정합니다. 목표는 파티클에서 산란되는 빛을 더 잘 포착하는 것입니다.

이 시퀀스에서는 서로 다른 게인과 블랙 레벨을 사용하는 세 개의 스틸을 비교합니다. 이 실험에서는 게인 설정 300과 블랙 설정 500이 사용되었습니다. 광원을 끄고 실내 조명을 켭니다.

컴퓨터에서 입자 추적 속도 측정을 위한 소프트웨어를 엽니다. 아이디어는 이전에 촬영한 보정 이미지 중 하나를 로드하는 것입니다. 소프트웨어를 사용하여 이 이미지를 서로 다른 보조 미러 보기에 해당하는 4개의 독립적인 하위 이미지로 나눕니다.

이러한 각 하위 이미지를 다른 파일에 저장합니다. 각 이미지는 별도의 카메라에서 가져온 것처럼 사용됩니다. 좌표 데이터를 사용하여 보정 단계와 여러 카메라에 대한 단계를 진행합니다.

속도 측정 광원을 켜서 데이터 수집을 준비합니다. 다음으로, 파종 입자를 가져와 탱크에 추가합니다. 시스템에서 정상 상태 흐름이 발생할 때까지 기다립니다.

실내 조명을 끈 상태에서 카메라 뷰를 모니터링하여 제트 흐름의 느린 비디오에서와 같이 올바른 입자 파종 밀도를 확인합니다. 만족스러우면 원하는 수의 플로우 이미지를 기록합니다. 데이터를 수집한 후 수집된 이미지를 4개의 하위 이미지로 나누고 저장하여 데이터 처리를 시작합니다.

이 작업이 완료되면 열려 있는 PTV 화면이 나타나고 상단에 메뉴 선택 항목이 표시되고 오른쪽에 다른 카메라 뷰에 대한 디스플레이가 나타납니다. 메뉴 항목의 시작 탭으로 이동하고 클릭하여 옵션을 표시합니다. 이미지 재시작을 클릭하여 데이터에서 첫 번째 원시 이미지의 카메라 보기 4개를 로드합니다.

마우스 커서를 run 디렉토리로 이동하고 클릭합니다. 거기에서 main parameters를 클릭하십시오. 새 창에서 일반 탭으로 이동합니다.

카메라 수를 입력합니다(이 경우 4개). 다른 탭에서 매개변수를 계속 입력합니다. 완료되면 마우스를 이동하여 전처리 메뉴 항목을 클릭합니다.

고역 통과 필터를 클릭합니다. 그 결과 4개의 이미지에서 빛의 산란이 강화됩니다. 또한 전처리 메뉴 항목에서 입자 감지를 찾아 클릭하여 감지된 각 입자의 중심을 확인합니다.

그런 다음 다시 preprocess 메뉴 항목에서 correspondences를 클릭하여 입체 대응을 설정합니다. 그런 다음 3D 위치 메뉴 항목으로 이동합니다. 그 아래에서 3D 위치를 선택하여 보정을 기반으로 감지된 입자의 3차원 위치를 결정합니다.

sequence 메뉴 항목에서 sequence without display를 찾아 클릭하여 수집된 모든 이미지 시퀀스에 대해 전처리 단계를 반복합니다. 이제 추적할 입자를 식별하는 데 사용할 매개변수를 입력합니다. 추적 메뉴 항목을 선택하여 계속합니다.

거기에서 디스플레이 없는 추적을 선택하여 인접한 프레임을 상호 연관시킵니다. 또한 감지된 입자를 선택하여 3D 재구성된 입자를 시각화할 수 있습니다. 추적이 완료되면 추적 메뉴 항목으로 이동하여 선택합니다.

show trajectories(궤적 표시)를 클릭하여 각 카메라 뷰에서 궤적을 시각화합니다. 이제 각 카메라 뷰에 파티클 궤적이 표시됩니다. 또한 후처리를 위해 데이터 파일이 생성되었습니다.

이것은 파이프 제트 직경의 16배에서 평면 주변의 중간 필드 영역에서 세 가지 대표적인 입자 궤적의 샘플입니다. 제트 코어로부터의 거리가 작을 때, 이 데이터의 1초 시간 간격에서 더 긴 궤적이 관찰됩니다. 제트 코어로부터의 거리가 멀어질수록 궤적 길이가 감소합니다.

파이프 제트 직경의 3배에서 트레이서 입자는 짧고 복잡한 궤적을 나타냅니다. 다음은 동일한 평면을 가로지르는 성공적으로 재구성된 모든 입자 궤적입니다. 속도의 분포는 제트기 출구 속도의 0%에서 60%까지입니다.

낮은 속도는 스펙트럼의 파란색 범위이고 빠른 속도는 빨간색 범위입니다. 분석 결과 제트 핵 근처의 입자가 더 부드러운 궤적을 보인다는 것이 밝혀졌습니다. 입자 추적을 사용하면 입자 궤적을 따라 곡률을 계산할 수 있습니다.

이것은 평균 곡률 곱하기 파이프 제트 지름 대 두 평면에 대해 스케일링된 반경 거리의 플롯입니다. 하나는 16이고 다른 하나는 17 파이프 제트 직경입니다. 둘 다 단조롭게 증가하지만 파이프 배출구에서 더 멀리 떨어진 평면은 제트 코어 외부의 평균 곡률이 감소합니다.

이 플롯은 파이프 배출구를 넘어 비행기의 16개 파이프 제트 직경에 있는 제트의 평균 유선형 속도 분포에 대한 정보를 제공합니다. 이 기술을 마스터하면 소프트웨어를 사용한 처리 시간을 제외하고 적절하게 수행하면 6시간 이내에 완료할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 균일한 조명, 올바른 카메라 설정 및 충분한 양의 시딩 입자가 있어야 한다는 것을 기억하는 것이 중요합니다.

이 비디오를 시청한 후에는 뷰 스플리터를 설정하고, 광원을 조립하고, 카메라 매개변수를 제어하고, PTV 시스템을 최적화하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 개발 후 이 기술은 난류 분야의 연구자들이 라그랑주 유동 역학에 대한 실험적 연구를 탐구할 수 있는 길을 열었습니다.