We gebruiken 3D-printen om anisotrope deeltjes in de vormen van kegelkappen, kruisen, tetraden en triaden te fabriceren, waarvan de uitlijningen en rotaties in turbulente vloeistofstroming kunnen worden gemeten vanuit meerdere gelijktijdige videobeelden.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Experimentele werkwijzen gepresenteerd voor het meten van de rotationele en translationele beweging van anisotrope deeltjes in turbulente vloeistofstromen. 3D printtechnologie wordt gebruikt om deeltjes met slanke armen verbonden bij een gemeenschappelijk middelpunt fabriceren. Vormen verkend zijn kruisingen (twee loodrechte staven), jacks (drie loodrechte staven), triaden (drie hengels in driehoekige vlakke symmetrie), en tetrads (vier armen in tetraëdrische symmetrie). Werkwijzen voor het produceren van in de orde van 10.000 fluorescerend gekleurd deeltjes worden beschreven. Tijdsopgeloste metingen van hun oriëntatie en solid-body draaisnelheid worden verkregen uit vier gesynchroniseerde video's van hun beweging in een turbulente stroming tussen oscillerende grids met R λ = 91. In deze relatief lage Reynolds nummer flow, de geadvecteerd deeltjes zijn klein genoeg dat ze benaderen ellipsoïde tracer deeltjes. presenteren wij gevonden van tijdsopgeloste 3D trajecten van positie en oriëntatie van de deeltjesevenals metingen van hun rotatie tarieven.
Inleiding
In een recente publicatie introduceerden we het gebruik van deeltjes die uit meerdere dunne armen voor het meten roterende beweging van deeltjes in turbulentie 1. Deze deeltjes kunnen worden vervaardigd met behulp van 3D-printers, en het is mogelijk om nauwkeurig te meten hun positie, oriëntatie en rotatie snelheid met behulp van meerdere camera's. Gereedschap van slank lichaam theorie, kan worden aangetoond dat deze deeltjes in effectieve ellipsoïden 2 en de roterende bewegingen van deze deeltjes zijn dezelfde als die van de respectievelijke effectieve ellipsoïden. Deeltjes met een symmetrische armen van gelijke lengte te draaien zoals boll....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Fabricage van deeltjes
- Gebruik een 3D Computer Aided Drafting programma om deeltje modellen te maken. Exporteer een bestand per model in een bestandsformaat dat door de 3D-printer gebruikt kan worden verwerkt.
- Gebruik de opdracht Circle om een cirkel te tekenen met een diameter van 0,3 mm. Gebruik de Extrudeer functie om een cilinder te maken met een lengte van 3 mm.
- Maak een kruis met twee orthogonale cilinders met een gemeenschappelijk centrum; maak een jack met drie onderling orthogonale cilinders met een gemeenschappelijk centrum; maak een viertal met vier cilinders delen een gemeenschappelijk doel bij 109,5 ° loodrecht op elk....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 3a toont een afbeelding van een viertal van één van onze camera's boven een plot van de Euler hoeken verkregen uit een deel van zijn traject (figuur 3c). In figuur 3b, de resultaten van de oriëntatie vinden algoritme in protocol 5 beschreven - 5,3, gesuperponeerd beeld tetrad op. De armen van het viertal in figuur 3a niet in de aangegeven intensiteitsverdelingen die worden gebruikt om het model te creëren (Pro.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Metingen van de vorticiteit en rotatie van deeltjes in turbulente fluïdumstroming al lang erkend als belangrijke doelen in experimentele vloeistofdynamica. Het vaste-body rotatie van bolletjes in turbulentie gelijk aan de helft van het fluïdum vorticiteit, maar de rotatiesymmetrie van bolletjes heeft directe meting van hun solid-body rotatie bemoeilijkt. Traditioneel is het fluïdum vorticiteit gemeten met behulp van complexe, multi-sensor hot-wire sondes 14. Maar deze sensoren alleen maar single-point vortici.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen te onthullen.
Dankbetuigingen
Wij danken Susantha Wijesinghe die ontworpen en gebouwd de beeldcompressie-systeem dat we gebruiken. Wij erkennen de steun van de NSF subsidie DMR-1208990.
....Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Condor Nd:YAG 50 W laser | Quantronics | 532-30-M | |
| High speed camera | Basler | A504k | |
| High speed camera | Mikrotron | EoSens Mc1362 | |
| Rhodamine-B | ScienceLab.com | SLR1465 | |
| Sodium Hydroxide | Macron | 7708 | Pellets. |
| 500 Connex 3D printer | Objet | Gebruikt om kleinere deeltjes te maken. Deeltjes besteld bij RP+M (rapid prototyping plus manufacturing). | |
| VeroClear | Stratasys | RGD810 | Objet bouwmateriaal. |
| Clear Form 1 Photopolymer Resin | Formlabs | ||
| Cilindrische en sferische lenzen | |||
| 200 mm macro camera lenzen | F-mount. | ||
| Ultrasoon bad | Sonicator | ||
| Calcium Chloride | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | CAS 10043-52-2 | Pellets. |
| LabVIEW System Design Software | National Instruments | Gebruikt om camera's te activeren, rooster te besturen en laser te activeren. | |
| XCAP Software | EPIX | Gebruikt met LabVIEW om camera's te activeren. | |
| MATLAB | Mathworks | Gebruikt voor alle beeld- en dataanalyse. Programma's voor het extraheren van 3D-oriëntaties uit meerdere beelden zijn bij deze publicatie inbegrepen. | |
| OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetry | OpenPTV Consortium | ||
| ParaView | Kitware | ||
| AutoCAD | AutoDesk | Gebruikt om alle deeltjes te ontwerpen. Screenshots van deeltjesdesigns zijn allemaal van AutoCAD. | |
| Mesh met 0,040 x 0,053 inch gaten | Industrial Netting | XN5170–43.5 | |
| Camerafilters | Schneider Optics | B+W 040M |
Referenties
- Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence. New J. Phys. 16, 102001(2014).
- Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid ....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
