Name: Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 34 s
Description: Leer hoe je 3D-geprinte anisotrope deeltjes fabriceert en hun oriëntatie en rotatie in turbulente stromingen meet met meerdere camera's. Deze methode biedt inzicht in deeltjesdynamica.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Wij danken Susantha Wijesinghe die ontworpen en gebouwd de beeldcompressie-systeem dat we gebruiken. Wij erkennen de steun van de NSF subsidie ​​DMR-1208990.

<ol><li>Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+the+Solid-body+Rotation+of+Anisotropic+Particles+in+3D+Turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22New+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence.</a> New J. Phys. 16, 102001(2014).</li>
<li>Bretherton, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+motion+of+rigid+particles+in+a+shear+flow+at+low+Reynolds+number%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number.</a> J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).</li>
<li>Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+study+of+three-dimensional+Lagrangian+particle+tracking+algorithms%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms.</a> Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).</li>
<li>Open Source Particle Tracking Velocimetry. , Open PTV Consortium. Available from:
 <a target="_blank" href="www.openptv.net">www.openptv.net</a> (2014).</li>
<li>Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotation+Rate+of+Rods+in+Turbulent+Fluid%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501(2012).</li>
<li>Parsa, S., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inertial+Range+Scaling+in+Rotations+of+Long+Rods+in+Turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence.</a> Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501(2014).</li>
<li>Tsai, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+versatile+camera+calibration+technique+for+high-accuracy+3d+machine+vision+metrology+using+off-the-shelf+tv+cameras+and+lenses%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Robotics+and+Automation%22%5BJournal%5D)">A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses.</a> IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).</li>
<li>Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+nonuniversal+large+scales+on+conditional+structure+functions+in+turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence.</a> Phys. Fluids. 22 (1), 015107(2010).</li>
<li>Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+of+relative%2C+turbulent+diffusion%5BTitle%5D)+AND+%22RISO+Internal+Report%22%5BJournal%5D)">Experimental study of relative, turbulent diffusion.</a> RISO Internal Report. , R-1036 (1999).</li>
<li>Chan, K., Stich, D., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+image+compression+for+high-speed+particle+tracking%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Real-time image compression for high-speed particle tracking.</a> Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704(2007).</li>
<li>Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGoldstein%2C+H+%22Classical+Mechanics%2C+3rd+Edition%22">Classical Mechanics, 3rd Edition</a>. , Addison-Wesley Publishing Company. 134-180 (2002).</li>
<li>Parsa, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Rotational+dynamics+of+rod+particles+in+fluid+flows%22">Rotational dynamics of rod particles in fluid flows</a>. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2013).</li>
<li>Wijesinghe, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Measurement+of+the+effects+of+large+scale+anisotropy+on+the+small+scales+of+turbulence%22">Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence</a>. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2012).</li>
<li>Wallace, J., Foss, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Measurement+of+Vorticity+in+Turbulent+Flows%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).</li>
<li>Su, L., Dahm, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalar+imaging+velocimetry+measurements+of+the+velocity+gradient+tensor+field+in+turbulent+flows.+I.+Assessment+of+errors%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors.</a> Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).</li>
<li>Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lagrangian+measurement+of+vorticity+dynamics+in+turbulent+flow%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow.</a> J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).</li>
<li>Frish, M., Webb, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+measurement+of+vorticity+by+optical+probe%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Direct measurement of vorticity by optical probe.</a> J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).</li>
<li>Zimmerman, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tracking+the+dynamics+of+translation+and+absolute+orientation+of+a+sphere+in+a+turbulent+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906(2011).</li>
<li>Zimmerman, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotational+Intermittency+and+Turbulence+Induced+Lift+Experienced+by+Large+Particles+in+a+Turbulent+Flow%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501(2011).</li>
<li>Klein, S., Gibert, M. athieu, Bérut, A., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+3D+measurement+of+the+translation+and+rotation+of+finite-size+particles+and+the+flow+field+in+a+fully+developed+turbulent+water+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Meas.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow.</a> Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).</li>
<li>Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+effects+on+turbulent+modulation+by+large+nearly+neutrally+buoyant+particles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles.</a> J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).</li>
</ol>

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen te onthullen.

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...

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&#39;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 bollen. Een voorbeeld van zo&#39;n deeltje is een jack, die drie onderling loodrechte armen bevestigd in het midden heeft. Aanpassen van de relatieve lengten van de armen van een vijzel kan een deeltje gelijk aan een tri-axiale ellipsoïde vormen. Als de lengte van een arm gelijk nul wordt gesteld, hierdoor ontstaat een kruis, waarvan de equivalente ellipsoïde is een schijf. Deeltjes gemaakt van slankewapens op te nemen een kleine fractie van de vaste omvang van hun vaste ellipsvormige tegenhangers. Daardoor sedimenteren ze langzamer, waardoor ze beter match dichtheid. Dit maakt het onderzoek mogelijk van veel grotere deeltjes dan handig met vaste ellipsoïdale deeltjes. Bovendien kan beeldvorming worden uitgevoerd bij veel hogere concentraties omdat de deeltjes deeltjes blokkeren een kleiner deel van het licht van andere deeltjes. In dit document worden werkwijzen voor de productie en het volgen van 3D geprint deeltjes gedocumenteerd. Middelen voor het opsporen van de translatiebeweging van bolvormige deeltjes uit deeltjes posities zoals die door meerdere camera&#39;s zijn ontwikkeld door verschillende groepen 3,4. Parsa et al. 5 uitgebreid deze benadering staven met de positie en oriëntatie van de staven gezien door meerdere camera volgen. Hier presenteren we methoden voor het vervaardigen van deeltjes met een grote verscheidenheid van vormen en reconstrueren van de 3D oriëntatie. Dit biedt the mogelijkheid 3D volgen van deeltjes met complexe vormen te vergroten tot een groot aantal nieuwe toepassingen. Deze techniek heeft een groot potentieel voor verdere ontwikkeling als gevolg van het brede scala van deeltjes vormen die kan worden ontworpen. Veel van deze vormen hebben directe toepassingen in milieu-flows, waarbij plankton, zaden en ijskristallen komen in een breed scala van vormen. Verbindingen tussen deeltjes rotaties en fundamentele kleinschalige eigenschappen van turbulente stromingen 6 suggereren dat de studie van de rotaties van deze deeltjes biedt nieuwe manieren om te kijken naar de turbulente cascade proces.

<table><tbody><tr><td>Condor Nd:YAG 50 W laser</td><td>Quantronics</td><td>532-30-M</td><td></td></tr><tr><td>High speed camera</td><td>Basler</td><td>A504k</td><td></td></tr><tr><td>High speed camera</td><td>Mikrotron</td><td>EoSens Mc1362</td><td></td></tr><tr><td>Rhodamine-B</td><td>ScienceLab.com</td><td>SLR1465</td><td></td></tr><tr><td>Sodium Hydroxide</td><td>Macron</td><td>7708</td><td>Pellets.</td></tr><tr><td>500 Connex 3D printer</td><td>Objet</td><td></td><td>Gebruikt om kleinere deeltjes te maken. Deeltjes besteld bij RP+M (rapid prototyping plus manufacturing).</td></tr><tr><td>VeroClear</td><td>Stratasys</td><td>RGD810</td><td>Objet bouwmateriaal.</td></tr><tr><td>Clear Form 1 Photopolymer Resin</td><td>Formlabs</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cilindrische en sferische lenzen</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>200 mm macro camera lenzen</td><td></td><td></td><td>F-mount.</td></tr><tr><td>Ultrasoon bad</td><td>Sonicator</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Calcium Chloride</td><td>Spectrum Chemical Mfg. Corp.</td><td>CAS 10043-52-2</td><td>Pellets.</td></tr><tr><td>LabVIEW System Design Software</td><td>National Instruments</td><td></td><td>Gebruikt om camera's te activeren, rooster te besturen en laser te activeren.</td></tr><tr><td>XCAP Software</td><td>EPIX</td><td></td><td>Gebruikt met LabVIEW om camera's te activeren.</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Gebruikt voor alle beeld- en dataanalyse. Programma's voor het extraheren van 3D-oriëntaties uit meerdere beelden zijn bij deze publicatie inbegrepen.</td></tr><tr><td>OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetry</td><td>OpenPTV Consortium</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ParaView</td><td>Kitware</td><td></td><td></td></tr><tr><td>AutoCAD</td><td>AutoDesk</td><td></td><td>Gebruikt om alle deeltjes te ontwerpen. Screenshots van deeltjesdesigns zijn allemaal van AutoCAD.</td></tr><tr><td>Mesh met 0,040 x 0,053 inch gaten</td><td>Industrial Netting</td><td>XN5170&ndash;43.5</td><td></td></tr><tr><td>Camerafilters</td><td>Schneider Optics</td><td>B+W 040M</td><td></td></tr></tbody></table>

methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3d-gedrukte deeltjes in turbulence

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

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&#39;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.

Figuur 3a toont een afbeelding van een viertal van één van onze camera&#39;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...

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.

Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

Het algemene doel van dit experiment is om een 3D-printer te gebruiken voor het vervaardigen van deeltjes in een grote verscheidenheid aan vormen en om hun beweging in een turbulente stroming te meten. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in de vloeistofdynamica, zoals de manier waarop deeltjes roteren en zich uitlijnen in turbulente vloeistofstromingen. Het belangrijkste voordeel is dat het precisiemetingen met een hoge tijdsresolutie mogelijk maakt van de oriëntaties van deeltjes met complexe vormen, wat met eerdere methoden niet kon worden bereikt.Deze methode heeft inzicht gegeven in de beweging van schijven en bollen in turbulentie en kan worden gebruikt om de dynamiek van deeltjes met complexe vormen in veel andere situaties te meten. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben met de 3D-camerakalibratie en het aanpassen van het algoritme voor het bepalen van de oriëntatie aan de specifieke deeltjes die worden gebruikt. Guy Marcus, die de oorspronkelijke experimenten met kruisen en jacks uitvoerde, zal helpen bij het demonstreren van de procedure.Begin met het gebruik van computer-aided design-software om partikelmodellen voor het printen te maken. Om een triade in AutoCAD te maken, gebruikt u eerst het cirkelcommando om een cirkel met een diameter van 0,3 millimeter te tekenen. Gebruik vervolgens het extrude-commando om een cilinder van drie millimeter lang te maken.Cilinders van deze grootte vormen de bouwstenen van de deeltjes. Gebruik nu het roteercommando en selecteer de X-as als rotatieas en een rotatiehoek van 90 graden. Pas het zicht aan om ruimte te creëren voor het werken met andere cilinders.Maak vervolgens een kopie van de cilinder die de tweede arm van de triade zal vormen. Pas aan het uiteinde van deze cilinder het commando rotate 3D toe met de rotatieas langs de Z-as. Roteer de cilinder 120 graden voor de triade.Verplaats de gedraaide cilinder naar de positie om een arm van de triade te vormen. De centra van de cilindereinden moeten samenvallen. Maak en positioneer de derde arm op dezelfde wijze.Draai het object vervolgens zo dat geen enkele cilinder langs de verticale of horizontale as is gericht. Wanneer alle armen op hun plaats staan, selecteert u ze allemaal en gebruikt u het union-commando om ze samen te voegen tot één enkel object. Sla het bestand op in een formaat dat geschikt is voor 3D-printen.Maak de overige deeltjes die in het experiment worden gebruikt door vergelijkbare stappen te volgen. Naast de triade zijn er het kruis, bestaande uit twee orthogonale cilinders met een gemeenschappelijk centrum, de jack, bestaande uit drie wederzijds orthogonale cilinders met een gemeenschappelijk centrum, en de tetrade, waarbij de cilinders een gemeenschappelijk uiteinde delen en hoeken van 109,5 graden ten opzichte van elkaar hebben. Laat ongeveer 10.000 van elk type deeltje printen in hoge resolutie.Bereid een oplossing voor om de geprinte deeltjes in te bewaren waarin ze een neutrale drijfkracht hebben. Gebruik hiervoor een calciumchlorideoplossing en ongeveer 1.600 liter water met de dichtheid voor neutrale drijfkracht. Verwijder ongeveer één liter van de oplossing om elk type deeltje op te slaan.Neem de liter oplossing mee naar de werkbank en begin met het bewerken van de deeltjes. De deeltjes die in dit experiment worden gebruikt, zijn commercieel geprint. Ze worden geleverd ingekapseld in hars die als ondersteuningsmateriaal dient.Bevrijd de deeltjes door de grote stukken voorzichtig in kleine secties te breken. Werk met elke sectie door deze handmatig te masseren totdat een groot deel van de overtollige hars is verwijderd. Dit zal latere stappen vergemakkelijken.Om de deeltjes verder te reinigen, wordt in een bekerglas een 10% massa-oplossing van natriumhydroxide bereid. Plaats vervolgens enkele deeltjes samen met de resten van hun harsomhulsel in het bekerglas om de hars te verwijderen. Plaats het bekerglas met de oplossing in een ultrasoonbad.Houd de partikels in eerste instantie één uur in het ultrasoonbad en vervolgens nog een half uur na het spoelen. Om de partikels terug te winnen, bereid dan een tweede beker voor om de natriumhydroxideoplossing uit het bad op te vangen, samen met een filter. Wanneer de ultrasoonreinigingsstappen zijn voltooid, neem dan met handschoenen de beker uit het bad en giet de inhoud door het filter in de tweede beker.Spoel de partikels af voordat u ze overbrengt naar de densiteitsmatchende oplossing, waarin ze worden ondergedompeld om vervorming te voorkomen. Dit zijn partikels die zijn vrijgemaakt uit hun hars, zijn gereinigd in het ultrasoonbad en nu klaar zijn om te worden gekleurd zodat ze fluoresceren onder groen laserlicht. Gebruik voor het kleuren van de partikels een oplossing van één liter Rhodamine-B kleurstof in water en plaats deze op een warmteplaat.Verwarm de kleurstof tot 80 °C voor het materiaal van dit partikel. Vul een kleine container losjes met partikels uit de opslag. Dit zal ongeveer 2.500 partikels zijn.Voeg de partikels toe aan de kleurstofoplossing en handhaaf de temperatuur terwijl ze zijn ondergedompeld. Haal de oplossing en de partikels na ongeveer twee of drie uur van de warmtebron. Gebruik een zeef en een aparte container om de partikels uit de oplossing te filteren.Zorg ervoor dat ze niet beschadigd raken terwijl ze zacht zijn door de warmte. Spoel de deeltjes vervolgens zorgvuldig af om overtollige kleurstof te verwijderen. Bewaar ze daarna in de neutrale drijfvermogensoplossing totdat ze nodig zijn voor het experiment.Het experiment vindt plaats in een tank met camera's die zijn geplaatst om de deeltjes in het centrum van de stroming vast te leggen. Dit schema geeft een overzicht van de opstelling van de tank, die een octogonale dwarsdoorsnede heeft, de oscillerende roosters die worden gebruikt om turbulente stroming te creëren, het meetvolume en de cameraposities. Gebruik minimaal vier camera's voor een nauwkeurige oriëntatiemeting.Elke camera moet een resolutie van ten minste één megapixel hebben bij 450 frames per seconde en moet zijn aangesloten op een speciale computer. Positioneer de camera's met grote hoeken tussen elkaar en zorg ervoor dat ze allemaal zijn gefocust op het gewenste meetvolume. Om optische vervorming te minimaliseren, zijn er in de tank kijkpoorten ingebouwd die loodrecht staan op de kijkrichting van de camera.Plaats vervolgens een beeldkalibratiemasker in het meetvolume van de tank. Hiermee kan de analyse van de door de camera's verzamelde experimentele gegevens worden uitgevoerd. Begin, om de experimentele omstandigheden te simuleren, met het vullen van de tank met de bulkneutrale drijfvermogensoplossing.Wanneer het reservoir is gevuld, worden de lampen zo geplaatst dat het masker wordt verlicht. Ga vervolgens terug naar het werk met de camera's. Stel elke camera in op hetzelfde punt op het masker en neem vervolgens beelden op en sla deze op voor kalibratie.Nadat de tank is geleegd, wordt de opstelling van het experiment voortgezet door een neodymium-yttrium-aluminiumgranaatlaser te plaatsen. Plaats een bundelsplitser om een deel van de laserstraal naar een spiegel te leiden. Het licht gaat van de spiegel door lenzen die een cilindrische bundel vormen en vervolgens de tank in.Plaats aan de tegenovergestelde zijde van het reservoir een spiegel om het uittredende laserlicht terug over zijn pad te reflecteren. Gebruik de andere uitgang van de beamsplitter en een soortgelijke opstelling van spiegels en lenzen om een cilindrische bundel te creëren die loodrecht op de eerste staat, zoals in dit bovenaanzichtschema. De spiegels waar de bundels uittreden helpen bij het creëren van een gelijkmatigere verlichting.Inspecteer vervolgens het reservoir dat is gevuld met een ontgaste, neutraal drijvende calciumchloride-oplossing. Controleer voordat u verder gaat of de camera's en de software voor gegevensverwerving gereed zijn. Maak u klaar om de ongeveer 10.000 tetraden die voor dit experiment zijn voorbereid, aan het reservoir toe te voegen.Verplaats ze naar de positie nabij de poort aan de bovenkant van de tank. Open, wanneer u klaar bent, de poort en voeg de deeltjes toe aan het water in de tank. Sluit de poort zodra alle deeltjes zijn toegevoegd.Ga vervolgens naar de laser. Zet deze aan en open de laseropening. Gebruik daarna de roosterbediening om het rooster met een frequentie van 3 Hz te laten oscilleren.Laat het rooster in de tank ongeveer één minuut oscilleren zodat de turbulentie zich volledig kan ontwikkelen. Begin op dat moment met de gegevensverwerving en neem ongeveer één miljoen frames op. Stop aan het einde van de run met de gegevensverzameling en sluit de laseropening.Nadat alle experimenten zijn uitgevoerd, gaat u naar de uitlaat van de tank. Plaats daar een filter om de deeltjes uit de oplossing te verwijderen en laat de tank leeglopen. Bewaar de verzamelde deeltjes in de neutraal drijvende oplossing voor later gebruik.Voer data-analyse uit op de opgenomen beelden met behulp van software om de positie en oriëntatie van het deeltje te bepalen. De volgende stappen worden in de software geïmplementeerd. Begin met vier synchrone beelden van een deeltje die door de vier camera's zijn vastgelegd, en gebruik tweedimensionale informatie om de driedimensionale positie ervan te bepalen.Projecteer een driedimensionaal numeriek model van het verlichte deeltje op elke camera met behulp van de parameters voor camerakalibratie. Dit creëert een tweedimensionaal model van de lichtintensiteit van het deeltje op alle vier de camera's. Voer vervolgens een non-lineaire kleinste-kwadratenfitting-procedure uit om de modeloriëntatie te vinden die het beste overeenkomt met wat op alle vier de camera's wordt waargenomen.Combineer de informatie van alle vier de camera's om het verschil tussen het model dat op elke camera wordt geprojecteerd en het waargenomen deeltje te minimaliseren. Deze stappen worden uitgevoerd voor alle frames waarin deeltjes zichtbaar zijn voor alle camera's. Dit is de evolutie van een tetrade in positie en oriëntatie.Let op de discontinue verandering in de oriëntatie van de tetradearmen, wat zonder beveiligingen mogelijk is. Deze tweede versie van de tetradevolutie laat zien dat de software waarborgt dat de Euler-hoeken voor elk frame de kleinste rotatie vormen ten opzichte van het vorige frame. De positie- en oriëntatie-informatie worden opgeslagen voor later gebruik.Dit is één camerabeeld van een tetrade in het experiment. In het tweede beeld geeft het supergeimposeerde model de oriëntatie aan zoals bepaald door het algoritme. Ondanks de eenvoud van het tweedimensionale intensiteitsmodel levert de methode nauwkeurige metingen van de particle-oriëntatie op.In het experiment wordt het algoritme voor het bepalen van de oriëntatie gebruikt om de evolutie van de Euler-hoeken over het gehele traject van elk deeltje te verkrijgen. Dit is een reconstructie van het volledige traject van een tetrade door het observatievolume. Dit wordt bereikt door de oriëntatie en de driedimensionale coördinaten van het deeltje te combineren voor elk frame waarin het zichtbaar is voor alle vier de camera's.De lengte van het traject is 229 frames. Houd er rekening mee dat het deeltje niet op schaal is getekend. De gegevens maken ook de bepaling van de kansdichtheidsfunctie van de gemeten tumblefrequentie mogelijk.De rode vierkanten zijn gegevens voor kruisen. Blauwe cirkels zijn gegevens voor jacks. De ononderbroken lijn vertegenwoordigt het resultaat van een numerieke simulatie van sferen, wat zeer goed overeenkomt met de experimentele gegevens.Zodra deze techniek beheerst is, kan deze in drie dagen worden uitgevoerd indien correct wordt uitgevoerd. Tijdens deze procedure is het belangrijk om de deeltjes een paar uur in de oplossingen met verschillende dichtheden te laten rusten. Het is daarnaast essentieel om ervoor te zorgen dat de camera's gedurende het hele experiment correct zijn uitgelijnd, vastgezet en gesynchroniseerd.Na deze procedure kunnen andere methoden, zoals het volgen van tracer-deeltjes, worden gebruikt om te meten hoe 3D-geprinte deeltjes reageren op de volledige gradiënttensor van de snelheid in de omringende stroming. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht moeten hebben in hoe anisotrope deeltjes kunnen worden gebruikt om informatie over de gradiënttensor van de snelheid uit een turbulente stroming te extraheren met behulp van vier stereoscopische videobeelden. Vergeet niet dat werken met Rhodamine-B kleurstof en natriumhydroxide gevaarlijk kan zijn, en dat er altijd voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen, zoals het dragen van handschoenen en een veiligheidsbril, tijdens het uitvoeren van deze procedure.

methods-for-measuring-orientation-rotation-rate-3d-printed-particles

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Een drie-dimensionale particle-tracking velocimetry (3D-PTV) systeem op basis van een high-speed camera met een vier-view splitter wordt hier beschreven. De techniek is toegepast op een straalstroom van een ringleiding in de nabijheid van tien diameters stroomafwaarts ten Reynoldsgetal Re ≈ 7000.

Driedimensionale Particle Tracking Velocimetry voor Turbulence Applications: Case van een Jet Flow

Twee verschillende methoden voor het karakteriseren van de motie van de beginnende deeltje van een enkele kraal als een functie van de geometrie van het sediment bed van laminaire naar een turbulente stroming worden gepresenteerd.

Visueel gebaseerd karakterisering van de beginnende Particle beweging in regelmatige substraten: van laminaire turbulente omstandigheden

De hier beschreven techniek biedt een goedkope en relatief eenvoudige methode om tegelijkertijd deeltje kinematica en turbulentie in stromen met lage deeltje concentraties. De turbulentie is gemeten met behulp van de particle image velocimetry (PIV) en deeltje kinematica zijn berekend uit de beelden verkregen met een high-speed camera in een overlappende veld-of-view.

Gelijktijdige meting van turbulentie en Particle Kinematics met behulp van stroom beeldvormende technieken

Dit protocol toont de mogelijkheid om reactieve inkjet printen te gebruiken om zelf beweeglijke biocompatibele en milieuvriendelijke micro-roer werkers af te drukken voor gebruik in biomedische en milieutoepassingen.

Reactieve Inkjet Printing en voortstuwings analyse van zijde-gebaseerde zelfrijdende micro-roeren

Dit protocol presenteert een methode om de emissie van 3D-printpennen te analyseren. De deeltjesconcentratie en de deeltjesgrootteverdeling van het vrijgekomen deeltje worden gemeten. Vrijgegeven deeltjes worden verder geanalyseerd met transmissieelektronenmicroscopie (TEM). Het metaalgehalte in filamenten wordt gekwantificeerd door inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie (ICP-MS).

3D-printen - Deeltjesemissies van een 3D-printpen evalueren

We hebben plasma geassisteerde chemische damp depositie van dunne films, variërend van een paar nm tot enkele 100 nm op de nano-deeltjes van verschillende materialen te storten. We vervolgens etsen kernmateriaal holle nanocapsules waarvan permeabiliteit wordt geregeld door de dikte van het reservoir te produceren. We karakteriseren de doorlaatbaarheid van deze coatings aan kleine opgeloste stoffen en aantonen dat deze barrières kunnen vertraagde afgifte van het kernmateriaal te bieden over...

Encapsulation en permeabiliteit Kenmerken van plasma-gepolymeriseerde holle deeltjes

Dit artikel demonstreert de experimentele procedure voor het meten van eindbezinksnelheden van bolvormige deeltjes in op oppervlakteactieve stoffen gebaseerde afschuifverdunnende visco-elastische vloeistoffen. Vloeistoffen over een breed scala aan reologische eigenschappen worden voorbereid en bezinksnelheden worden gemeten voor een reeks deeltjesgroottes in niet-gebonden vloeistoffen en vloeistoffen tussen parallelle wanden.

Experimentele meting van de bezinksnelheid van bolvormige deeltjes in ongeconfinieerde en beperkte op oppervlakteactieve stoffen gebaseerde afschuifverdunning visco-elastische vloeistoffen

Acoustofluidic apparaten maken gebruik van ultrasone golven binnen microfluïdische kanalen te manipuleren, te concentreren en te isoleren geschorst micro- en nanoscopische entiteiten. Dit protocol beschrijft de vervaardiging en werking van een dergelijk apparaat dat bulk akoestische staande golven deeltjes centrale stroomlijn richten zonder de hulp van de ommanteling vloeistoffen.

Fabricage en werking van Acoustofluidic Devices Ondersteunend Bulk Acoustic Staande golven voor Sheathless scherpstellen van Deeltjes

Een scanner voor beeldvorming magnetische deeltjes in vlakke monsters werd ontwikkeld met vlakke frequentie mengen magnetische detectietechniek. De magnetische intermodulatieproduct reactie van de lineaire nonhysteretic magnetisatie van de deeltjes wordt opgenomen op een twee-frequentie excitatie. Het kan worden gebruikt om 2D beelden dunne biologische monsters.

Frequentie mengen Magnetic Detection Scanner voor de beeldvorming van magnetische deeltjes in Planar Samples

Dit document presenteert een impedantie gebaseerde apparaat voor verdamping detectie van oplossingen. Het biedt duidelijke voordelen ten opzichte van een conventionele gewichtsverlies aanpak: een snelle reactie, zeer gevoelige detectie, een kleine steekproef vereiste, meerdere sample metingen, en gemakkelijk te demonteren voor het reinigen en hergebruiken doeleinden.

Een High Performance impedantie-gebaseerd platform voor het Verdampingssnelheid Detection

Leer hoe je 3D-geprinte anisotrope deeltjes fabriceert en hun oriëntatie en rotatie in turbulente stromingen meet met meerdere camera's. Deze methode biedt inzicht in deeltjesdynamica.

Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence

Meer video's verkennen