Name: 난 류와 흐름 이미징 기술을 사용 하 여 입자 운동학의 동시 측정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: 배우세요 입자 이미지 속도측정(PIV)과 고속 카메라를 활용한 난류 환경에서 퇴적물 입자의 운동학과 난류 속도를 동시 측정하는 비침습적 광학 방법을. 이 기술은 유체-입자 상호작용 연구에 효과적입니다.

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이 작품의 일부 II-VI 기초 및 해안 캐롤라이나 전문 향상 그랜트에 의해 지원 되었다. 우리 또한 Corrine 제이콥스, 마렉 Jendrassak와 윌리엄 상인에 대 한 도움이 실험적인 체제를 인정 하 고 싶습니다.

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저자는 공개 없다.

여기에 설명 된 메서드는 상대적으로 저렴 하 고 동시에 입자 운동학에 흐름의 영향을 시험 하기 위하여 입자 궤적 및 난 기류를 측정 하는 간단한 방법을 제공 합니다. 그것은 흐름 또는 입자 움직임을 강력 하 게 3 차원이 기술은 적합 하지 않습니다 말할 것도 주목 된다입니다. 밖으로의 비행기 움직임 추적 2D에 PIV 분석 오류17 귀 착될 것 이다 하 고 최소화 한다. 또한, 방법 (순서 PT 이미지 당 입자의 수만) 상대적으로 낮은 것으로 추적된 입자의 농도를 요구 한다. 이 제한은 연속 이미지에서 동일한 입자가 추적 되 고 자신감을 극대화 하기 위해 중요 하다. 만약 너무 많은 입자 궤적 계산에서 다음 부정확 PT 카메라의 FOV에 동시에 존재 하 고 궤도의 조기 종료는 PIV 이미지 분석에서 증가 오류 뿐만 아니라 발생할 수 있습니다. 따라서, 입자 응집과 관련 된 문제 조사 큰 입자 농도 일반적으로 필요 하기 때문에이 기술이 어려운 것입니다. 마지막으로,이 기술은 더 큰 입자를...

예를 들어 난 류 흐름에 입자의 행동을 포함 하는 과학 및 엔지니어링 분야에서 응용 프로그램, 분위기, 오염 물질 및 엔지니어링된 시스템, 및 해양 퇴적 물에 어로 졸의 많은 수 존재 미생물 또는 바다1,2,3침전 물. 이러한 응용 프로그램에서는 종종 입자 입자 운동학 및 유체 역학의 동시 측정을 요구 하는 난 기류에 대처 하는 방법을 이해 하는 관심입니다.
입자 추적 (PT), 개별 입자 궤적, 그리고 입자 이미지 velocimetry4,5 (PIV)의 통계 기법을 추적, 라는 입자 움직임을 측정 하는 기존 기술 흐름을 측정 하는 데 사용 속도, 둘 다 비-간섭 광 기술을 통합합니다. 이 아닌-관입 광학 기법을 사용 하 여 흐름 및 입자 운동학을 동시에 측정 하는 주요 과제는 다른 측정 정확도 (방해할 수 각 이미징 기술에 필요한 별도 조명 예를 들어, 입자 운동학을 측정 하기 위한 조명 소스 수 없습니다 역할을 유체 속도 측정 및 역도에 상당한 잡음 소스). 이미지의 두 세트에서 이미지 대비 충분 한 신뢰할 수 있는 결과를 얻이 필요 합니다. 예를 들어 태평양 표준시 이미지 결정 입자 위치; blob 분석을 수행 하기 위해 흑인과 백인 이미지 변환 됩니다. 따라서, 부족 대비 오류 입자 위치에 이끌어 낸다. PIV 이미지 금액 유체 속도의 추정에 부정확 하면 낮은 신호 대 잡음 비율의에서 불 쌍 한 대비.
여기, 동시에 두 입자 운동학 및 흐름 속도 측정 하는 상대적으로 비용이 저렴 하 고 간단한 방법을 설명 합니다. 고 출력 단색 발광 다이오드 (LED) 라인, 라인 밝은 조리개와 듀얼 헤드 고 강도 레이저를 참조의 사용을 통해 관심과 흐름 필드의 두 입자는 몇 군데 같은 지역에서 동시에. LED의 고 출력 고속 카메라 (추적된) 입자의 이미징에 대 한 충분 하지만 PIV 이미지 영향을 주지 않습니다 때문에 빛의 강도 PIV 추적기에서 흩어져 너무 낮습니다. 때 듀얼 헤드 고 강도 레이저 조명 흐름 필드 PIV 이미지에 대 한 짧은 시간 간격 동안 발생 하 고 이러한 이미지는 쉽게 식별 하 고 등록 때 고속 PT 카메라에 의해 얻은 시계열에서 제거. PIV는 시리즈 하지 서로 알맞은 프레임 수집 속도에서 두 시스템을 실행 하 여 최소화할 수 있습니다 고속 이미지 (입자 추적 사용) 시간에 기록 하는 펄스 레이저. 고급 설정에서 하나 수 외부 방 아 쇠 지연이 발생 하지 않는 것을 태평양 표준시 및 PIV 카메라. 마지막으로, PIV 시야 (FOV) 내에서 추적 되 고 입자의 금액의 심사 숙고 하 여 PIV 이미지의 상관 관계 분석에서 이러한 추적된 입자에 의해 도입 된 모든 오류는 이미 고려 전체 오류 추정에 의해 PIV 추적기 심문 창 내에서 비 균등 분포와 관련 된 포함 한 오류. 추적기를 시드 PIV의 대부분 정확한 흐름 속도 견적 저조한 흐름을 따르고 있다. 이러한 기술을 모두 입자 운동학 및 흐름 필드의 2 차원 평면에 직접 동시 측정 가능
이 기술은 결정 난 류, 양 및 수 줍 어6 제이콥스 외. 연구에 사용 되는 유사한 특성을 정착 하는 입자를 적용 하 여 설명 7. 앙금 수송, 일반적으로 이루어져 있다 앙금 정지, 전송 및 정착에 마지막 단계는 입자 정착. 대부분 이전 연구에서 난 류 흐름에 정착 하는 입자를 해결, 또한 입자 궤적 또는 난 류 속도 직접 측정 하지 하지만 이론적으로 유추 또는8,,910모델. 입자 및 난 기류 사이 상호 작용에 가장 자주 조사 둘 다를 동시에 측정에 실험적인 제한으로 인해 이론적 및 숫자 모델을 사용 하 여6,11. 선물이 어디 우리가 난 기류와 입자와 그들의 결합의 침전 속도 연구, 진동 그리드 시설에서 입자-난 기류 상호 작용 사례 연구. 명확성을 위해,이 우리가 참조 한다 "입자"와 "추적기"; PIV 기법에 대 한 사용 시드 입자 조사 입자를 또한, 우리는 "입자 추적", "태평양 표준시", 또는 "고속", 측정 카메라는 "고속 이미지"와 "PIV 카메라" PIV 메서드에 사용 카메라, 입자 궤도의 고속 이미징에 사용 하는 카메라를 참조 것입니다는 "이미지"를 측정합니다. 여기에 설명 된 메서드는 시설 내에서 미리 정의 된 필드 입자 운동학 및 유체 역학의 동시 측정을 수 있습니다. 취득된 데이터는 입자 기류 상호 작용의 2 차원 설명을 제공합니다.

<table><tbody><tr><td>광학 렌즈</td><td>CVI 레이저 광학</td><td>Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV</td><td>기타 광학 회사를 사용할 수 있습니다. PIV 광 시트를 생성하기 위한 구형 및 순환형 렌즈.</td></tr><tr>PIV <td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2D</td><td>용 카메라 렌즈</td><td>다른 카메라 렌즈 회사도 허용됩니다. PIV 이미징용 카메라 렌즈.</td></tr><tr>고속 <td>Nikon</td><td>Nikkor 50mm f/1.8D</td><td>용 카메라 렌즈</td><td>기타 카메라 렌즈 회사를 사용할 수 있습니다. 고속 이미징을 위한 카메라 렌즈.</td></tr><tr><td>듀얼 헤드 펄스 레이저</td><td>Quantel</td><td>EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz</td><td>기타 레이저 회사도 허용됩니다. PIV용 듀얼 헤드 펄스 레이저: Nd:YAG</td></tr><tr><td>LED 라인 라이트</td><td>Gardasoft Vision, Ltd.</td><td>VLX2 LED 라인 조명 - 녹색 - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04</td><td>다른 회사도 허용됩니다. LED용 라인 조명.</td></tr><tr><td>PIV 파종 입자 / 추적자</td><td>Potters Industries</td><td>구형 중공 유리 구 : 평균 직경 11mm</td><td>다른 회사도 허용됩니다. PIV 파종 입자</td></tr><tr><td>CCD 교차 상관 카메라</td><td>TSI, Inc.</td><td>POWERVIEW 11M: CCD, 이중 노출, 4008x2672 픽셀 @ 4.2Hz, 12비트 다이나믹 레인지다른</td><td>회사도 허용됩니다. 이중 노출, PIV 이미징을 위한 CCD 카메라.</td></tr><tr><td>고속 카메라</td><td>Photron</td><td>FASTCAM SA3; 모델 60K: 1024x1024 픽셀 @ 1kHz</td><td>다른 회사도 사용할 수 있습니다. 고속 이미징을 위한 CMOS 카메라.</td></tr><tr><td>싱크로나이저</td><td>TSI, Inc.</td><td>LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036</td><td>다른 회사도 허용됩니다. PIV 카메라와 레이저의 획득을 동기화합니다.</td></tr><tr><td>캘리브레이션 대상:</td><td>TSI, Inc.</td><td></td><td>다른 회사도 허용됩니다. 이미지 보정을 위한 정밀 대상.</td></tr></tbody></table>

난 류와 흐름 이미징 기술을 사용 하 여 입자 운동학의 동시 측정

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

난 류 흐름, 오염 물질, 등 해양 미생물, 유동층된 침대 원자로 또는 바다, 앙금 및 연소 과정에 있는 입자의 기구학 이해를 포함 하는 과학 및 엔지니어링 분야에서 수많은 문제 시스템을 설계. 이러한 흐름에 입자의 운동학에 난 기류의 영향을 공부 하기 위하여 흐름 및 입자 운동학의 동시 측정이 필요 합니다. 비-관입, 광학 흐름 측정 기술 측정 기류, 또는 입자를 추적 하기 위한 존재 하지만 둘을 동시에 측정 기술 사이의 간섭 때문에 도전적 일 수 있다. 여기에 소개 하는 방법은 흐름과 입자 운동학의 동시 측정을 저렴 한 비용 및 상대적으로 간단한 방법을 제공 한다. 흐름의 단면 측정 평면에서 속도의 두 가지 구성 요소를 제공 하는 입자 이미지 velocimetry (PIV) 기술을 사용 하 여 측정 됩니다. 이 기술은 디지털 카메라에 의해 몇 군데 시드 흐름 필드의 조명에 대 한 펄스-레이저를 사용 합니다. 입자 운동학은 동시에 발광 다이오드 (LED) 라인 빛 조명 PIV-의-시야 (FOV)와 겹치는 흐름의 평면 횡단면을 사용 하 여 몇 군데. 선 빛 PIV 측정에는 영향을 주지 않습니다 하지만 관심의 더 큰 입자를 밝히는 충분히 강력한 이미지로 고속 카메라를 사용 하 여 충분히 낮은 전력입니다. PIV 기법에서 레이저 펄스를 포함 하는 고속 이미지 쉽게 각 고속 이미지의 요약된 강도 검토 하 여 필터링 됩니다. 고속 카메라의 프레임 속도, PIV 카메라 프레임 속도의 걸맞지 여 고속 시계열에 오염 된 프레임의 수를 최소화할 수 있습니다. 기술은 주로 2 차원는 평균 흐름에 적합, 입자를 적어도 5 번 시드 추적기, PIV의 평균 직경 및 낮은 농도 포함.

실험적인 체제의 회로도 그림 1에 표시 됩니다. 그림 빛 시트 (LED 및 레이저)의 배열, 오버랩, FOVs 및 FOVs 진동 그리드 및 탱크 벽의 위치에 있습니다. 소란과 입자 프로토콜 섹션에 설명 된 대로 동시에 측정 됩니다. 그림 2 의 순간 속도 함께 샘플 입자 궤적 전단 측정 결과 예를 보여 줍니다. PIV 분석의 결과 사나운 동요의 RMS 계산에 따라 평가 됩니다. 이 진동 그리드 시설에 대 한 PIV FOV에 RMS 속도 동요의 공간적 의미의 크기는 두 속도 구성 요소7,15그리드 주파수와 함께 증가 한다. 이 결과 얻지 못하면, 다음 그리드 시설, PIV 설치 또는 PIV 분석 오류가 고 반복 해야 합니다. 다른 그리드 주파수에 대 한 RMS 속...

여기에 설명 된 기술을 동시에 입자 운동학 및 낮은 입자 농도와 흐름에 난 기류를 측정 하는 저렴 한 가격과 상대적으로 간단한 방법을 제공 합니다. 기류 입자 이미지 velocimetry (PIV)을 사용 하 여 측정 되 고 입자 운동학 겹치는 분야-중-보기에서 고속 카메라로 얻은 이미지에서 계산 됩니다.

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

공학과 자연 과학 모두에서 수많은 필드는 유체 입자 상호 작용과 관련된 문제를 포함한다. 이 방법은 입자 궤적과 유동 속도 모두의 비교적 저렴한 비간섭 동시 광학 측정을 제공합니다. 여기서 우리는 난류 흐름에서 퇴적물 입자의 침전 속도를 측정하여 입자 궤적의 상세한 특성화를 동시에 동일한 위치에서 난류 속도를 측정할 수 있습니다.입자 이미지 속도 설정을 시작하려면 유동 시설에 따라 광학 판에 이중 헤드 고강도 펄스 레이저 수평 레벨을 수정합니다. 레이저에 맞춰 원통형 렌즈를 배치하여 진동 그리드 아래에 있을 2D 빛의 평면을 생성합니다. 그런 다음 원통형 렌즈 후 구형 렌즈를 장착하여 5~1mm 두께의 라이트 시트를 생성합니다.다음으로, PIV에 대한 이미지를 기록하기 위해 라이트 시트에 수직으로 이중 노출 CCD 카메라를 배치합니다. 렌즈를 카메라에 부착하고 켜고 무료 및 연속 모드로 설정합니다. PIV 카메라를 난류 흐름 시설에 집중합니다.이미지가 원하는 라이트 시트 경계보다 작거나 가까이 될 때까지 조리개와 카메라 위치를 조정합니다. 그런 다음 카메라를 끄고 저강도에서 레이저를 켭니다. 라이트 시트가 바닥에 수직이 있는지 확인한 다음 라이트 시트의 중앙에 그리드로 표시된 교정 대상을 배치합니다.PIV 카메라가 라이트 시트에 수직이고 라이트 시트가 바닥이나 시설 바닥에 수직이되도록 하는 것이 필수적입니다. 정렬 불량으로 인해 속도가 잘못되므로 유체 속도 오류가 발생합니다. 레이저를 끄고 카메라를 다시 켭니다.보정 대상에 카메라를 집중하고 단일 이미지를 캡처합니다. 이미지 처리 소프트웨어에서 이미지를 열고 행, 높이 및 열 간격이 대상 전체에서 일관되게 일치하는지 확인합니다. 코너 마커 크기는 한 픽셀 이하로 달라야 하며 이상적으로는 동일해야 합니다.이미지가 이러한 기준을 충족하는 경우 교정 대상을 제거합니다. 그리드를 설치하고 시설을 실행합니다. 그런 다음 PIV 트레이서 입자가 가득 찬 스푼을 유체에 소개합니다.추적자와 유체가 잘 혼합 될 때까지 기다렸다가 계속합니다. 그런 다음 레이저를 켜고 외부 제어 및 고출력으로 설정합니다. 룸 조명을 끄고 이미지 쌍을 캡처하여 추적기 밀도를 평가합니다.점차적으로 원하는 시각적 밀도에 작은 술 전체에 의해 트레이서 농도를 증가. 그런 다음 PIV 카메라 프레임 속도를 가능한 가장 높은 값으로 설정하고 연속 PIV 이미지 사이의 시간을 설정합니다. 레이저가 적절하게 구

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연구

JoVE Journal

Engineering

공학

Flow Imaging 기술을 사용한 Turbulence 및 Particle Kinematics의 동시 측정

이 프로토콜은 원위치 동물 생성 흐름에의 부량 위해 설계 자체에 포함된 수중 velocimetry 장치 (SCUVA)를 사용하는 방법에 대한 지침을 제공합니다. 또한,이 프로토콜은 현장 조건으로 인한 문제를 해결하고, 운영 모션, 동물의 예측 위치, 그리고 SCUVA의 방향을 포함하고 있습니다.

양적 측정 현장에서</em독립적인 수중 Velocimetry 장치 (SCUVA)을 사용하여> 흐름

유체 흐름의 범위에 대한 양적 입체 (3D) 영상을 수행하기위한 기법 제공됩니다. 라이트 필드 영상의 영역에서 개념을 사용하여, 우리는 이미지의 배열에서 3D 볼륨을 재구성. 우리 3D 결과는 속도 필드와 다중 상 기포 크기 분포를 포함하는 광범위한 걸쳐.

멀티 카메라 라이트 필드 영상을 통해 3D 흐름 필드를 결정하는

마이크로 입자 영상 속도계 (μPIV)의 정확한 속도 프로파일을주고 간 상관 관계 혈액 흐름에 파종 마이크로 입자의 쌍 이미지를 시각화하는 데 사용됩니다. 임상 응용을 가지고 각각의 전단 속도, 최대 속도, 속도 프로파일 형태, 유량, 이러한 측정에서 파생 될 수 있습니다.

마이크로 혈액 흐름의 속도 분포 측정을위한 마이크로 입자 이미지 유속계

이 비디오에서 우리는 먼저 표면 탄성파 (SAW) 음향 역류 장치의 제조 및 운영 절차에 대해 설명합니다. 우리는 그 SAW 장치를 펌핑 내 성적 유동 가시화하고 복잡한 흐름의 정량 분석​​ 모두 허용 실험 설정을 보여줍니다.

표면 음향 파 중심의 어쿠스틱 역류 미세 유체의 제조, 운영 및 유동 가시화

고해상도, 고속 입자 영상 유속계 (PIV)를 사용하여 경계 근처에 과도 흐름을 연구하는 절차는 여기에 설명되어 있습니다. PIV는 이미지와 기록 특성, 레이저 시트 속성 및 분석 알고리즘과 같은 여러 매개 변수 제약 조건을 최적화하여 모든 광학적 접근이 흐름에 적용 할 수있는 비 간섭 측정 기술입니다.

표면 근처 고속 입자 이미지 유속계

공 초점 현미경은 매력적인 현탁액을위한 모델 시스템으로 공부하는 이미지 정지 흐르는 콜로이드 폴리머의 혼합물에 사용된다. 이미지 분석 알고리즘은 기하 구속에 의한 변화를 측정 콜로이드 입자의 구조 및 동적 메트릭을 계산하는 데 사용된다.

밀폐 무부하 흐르는 콜로이드 중합체 혼합물의 공 촛점 이미징

생물막은 주변 환경과 복잡한 상호 작용을 합니다. 생물막-환경 상호 작용을 종합적으로 조사하기 위해 여기서는 생물막 개발을 위한 이질적인 화학적 환경을 조성하고, 국소 유속을 정량화하고, 생물막 군집 내부 및 주변의 질량 수송을 분석하는 일련의 방법을 제시합니다.

바이오 필름 및 서식지의 이질성의 공동 개발을 특성화하기위한 방법

우리는 3D 프린팅을 사용하여 잭, 십자, 테트라드 및 트라이어드 모양의 이방성 입자를 제작하며, 난류 유체 흐름의 정렬 및 회전은 여러 동시 비디오 이미지에서 측정할 수 있습니다.

오리엔테이션 및 회전 속도 측정하는 방법 난류의 입자를 3 차원 인쇄

네 도면 스플리터 고속 카메라 기반 입체 입자 추적 속도계 (3D-PTV) 시스템은 여기에 설명된다. 기술 하류 ≈ 7000 다시 레이놀즈 수에서 열 지름 근방 원형 파이프에서 제트류에인가된다.

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

여기, 우리는 프로토콜 수정된 연기 흐름 시각화 기술을 사용 하 여 델타 날개에 불안정 회전력 흐름을 관찰 하 고 조사 메커니즘 앞 가장자리와 동 고장 위치의 진동에 대 한 책임을 제시.

흐름 시각화 방법을 통해 델타 날개를 통해 흐름 구조의 실험 조사

배우세요 입자 이미지 속도측정(PIV)과 고속 카메라를 활용한 난류 환경에서 퇴적물 입자의 운동학과 난류 속도를 동시 측정하는 비침습적 광학 방법을. 이 기술은 유체-입자 상호작용 연구에 효과적입니다.

난 류와 흐름 이미징 기술을 사용 하 여 입자 운동학의 동시 측정

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