난 류와 흐름 이미징 기술을 사용 하 여 입자 운동학의 동시 측정

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 구성된지 확인합니다.

그런 다음 불을 끄고 몇 초 동안 무료 모드에서 데이터를 수집합니다. 크로스는 이미지 쌍을 상호 연관시키고 획득한 데이터가 품질이 좋은지 확인합니다. 완료되면 그리드 진동을 중지합니다.

2D 입자 추적 설정을 시작하려면 진동 그리드 시설 아래에 단색 LED 라인 라이트를 배치하여 라이트 시트가 LED 라인 내에 중앙집중화되도록 합니다. LED 라인 라이트와 저전력에서 레이저를 켭니다. 라이트 시트와 선광이 잘 정렬되어 있는지 확인한 다음 끕니다.

다음으로 CMOS 고속 카메라에 렌즈를 부착하여 입자 추적에 사용할 수 있습니다. 무료 연속 모드 또는 라이브 모드에서 카메라를 켜고 관심 영역에 거칠게 초점을 맞춥니다. 파티클 추적 카메라 조리개 높이와 거리를 조정하여 관심 영역이 시야와 함께 있고 카메라가 선광에 수직이 될 때까지 조정합니다.

카메라를 끕니다. 선 광원을 켜고 교정 대상을 선광의 중앙에 놓습니다. 그런 다음 선 광을 끄고 카메라를 켜고 대상에 집중합니다.

보정 대상의 이미지를 캡처하고 파티클 추적 카메라가 레벨, 대상에 수직및 가장자리에 이미지 왜곡없이 초점되어 있는지 확인합니다. 나중에 교정 대상을 제거합니다. 그런 다음 수집할 고속 이미지 수를 설정합니다.

예상 입자 속도에 따라 프레임 속도와 해상도를 이미지 간에 3~10픽셀의 파티클 변위를 달성해야 하는 값으로 설정합니다. 그리드를 설치하고 LED 라인 라이트를 켜고 방을 어둡게 합니다. 그리드 진동을 시작하고 관심 입자의 작은 부분을 흐름에 도입합니다.

입자가 고속 카메라에 나타나면 몇 프레임을 캡처합니다. 파티클 트랙이 이미지에 명확하게 표시되어 파티클이 평면에 남아 있고 자주 겹치지 않음을 나타내는 것이 중요합니다. 이러한 기준을 충족하지 못하면 파티클을 정확하게 추적할 수 없습니다.

눈에 보이는 입구 효과가 없는지 확인하고 파티클 중복이 드물며 파티클 모션은 주로 평면에 있습니다. 완료되면 진동을 중지합니다. 최종 교정을 시작하려면 조명이 어두워지면 LED 및 레이저 라이트 시트 내에 교정 대상을 배치합니다.

레이저와 LED를 끄고 실내 조명을 켭니다. 보정 대상이 카메라 FOV 내에서 초점을 맞추고 있으며 두 카메라에 고유한 표시가 표시되는지 확인합니다. 두 카메라 모두에서 교정 대상의 이미지를 캡처합니다.

고유 마크의 관련 배치를 기록하고 카메라가 여전히 수준이고 가장자리 주위에 왜곡이 표시되지 않는지 확인합니다. 그런 다음 교정 대상을 제거하고 그리드를 설치하고 진동을 시작합니다. 흐름이 정상 상태에 도달할 수 있도록 최소 20분 동안 실행하도록 합니다.

그런 다음 방을 어둡게 하고 LED 라인 라이트를 켜고 파티클을 흐름에 도입합니다. 파티클 추적 카메라 FOV에 파티클이 나타날 때 두 시스템에 대한 레이저 펄스 및 이미지 수집을 동시에 시작합니다. 데이터 수집이 완료되면 이미지를 저장하고 그리드 진동을 중지합니다.

흐름 속도 분포와 입자 궤적을 분석합니다. PIV 이미지는 즉각적인 유체 속도 및 vorticity 분포로 처리될 수 있습니다. 여기서 유체 속도 벡터 분포는 vorticity 색상 맵에 오버레이됩니다.

이 설정을 사용하면 PIV 시야에 대한 공간 평균 제곱 유체 속도 변동의 크기는 수평 및 수직 속도 구성 요소 모두에 대한 진동 빈도로 증가해야 합니다. 입자 궤적 및 속도는 고속 입자 추적 이미지에서 결정될 수 있습니다. 입자 속도의 분포는 대략 가우시안이어야 한다.

여기서 더 큰 불규칙한 모양 입자는 일반적으로 더 작은 구형 입자의 입자보다 더 큰 표준 편차를 가진 입자 속도 분포를 보였다. 두 입자 세트 모두 그리드 진동 속도가 증가함에 따라 더 큰 평균 수직 속도와 더 큰 표준 편차를 가진 분포를 보였습니다. 합성 입자, 산업 모래 및 현지에서 수집된 모래의 정체된 흐름은 입자 궤도에서 결정된 모든 것이 디트리히 곡선과 대략적으로 합의했습니다.

입자가 그리드 진동 주파수로 증가하는 속도를 정착시키는 경향은 후속 분석에서 더 자세히 탐구되었다. 입자 역학과 유체 역학, 특히 난류의 동시 광학 측정은 두 이미징 기술 간의 간섭 가능성으로 인해 측정 부정확성을 측정하기가 어렵습니다. 3차원이 강하게 흐르는 흐름은 평면 모션에서 2D 추적 및 입자 속도 분석 모두에서 오류를 생성하기 때문에 이 기술에 적합하지 않습니다.

추적된 입자의 농도는 동일한 입자가 연속 된 이미지로 추적되고 있다는 확신을 극대화하기 위해 상대적으로 낮어야 합니다. 또한 추적중인 PIV 추적기와 추적중인 파티클의 크기를 구별할 수 있을 정도어야 합니다. 흐름 속도 정보를 입자 궤적과 통합하는 것은 조사 중인 내용에 따라 달라집니다.

예를 들어 이 메서드는 파티클의 궤적을 따라 특정 인스턴스의 흐름 속도를 검사할 수도 있습니다. 이 기술은 퇴적물 수송, 모션 과학을위한 응용 프로그램과 함께 입증되었지만 유체 흐름이 자연 또는 인공 미립자와 상호 작용하는 많은 응용 분야에서 관련이 있습니다.