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

De doelen van dit experiment zijn om een deeltjesvolgsysteem voor turbulentietoepassingen op te zetten en te optimaliseren en het te gebruiken om straalstroming te bestuderen. Deze methode kan helpen om belangrijke vragen op het gebied van turbulentie te beantwoorden door gebruik te maken van een Lagrangiaans beschrijving van de stroming. Het grote voordeel van deze techniek is de mogelijkheid om een grote set deeltjes in tijd en ruimte te volgen.

Hoewel deze methode inzicht kan geven in turbulentie en een Lagrangiaans referentiekader, kan het ook worden toegepast op andere toepassingen zoals motion capture of motion tracking. De opstelling voor dit experiment is voor de studie van het intermediaire stromingsveld van een pijpstraal. Deze met water gevulde tank heeft een kanaal waarin een straal met een diameter van één centimeter kan worden gecreëerd.

Deze schematische weergave geeft een overzicht van de opstelling voordat er apparatuur voor driedimensionale deeltjesvolgsysteem is toegevoegd. Om te beginnen met deeltjesvolging, identificeer een studiegebied, het onderzoeksvolume. In dit experiment is het een kubus met zijn vlakken evenwijdig aan die van het grotere volume en zijn dichtstbijzijnde punt 15 centimeter van het uiteinde van het kanaal.

Zodra het onderzoeksvolume is gekozen, begin met het positioneren van de primaire spiegel. De spiegel is piramidevormig en gemonteerd op een verticale montagepoot langs de zijkant van de experimentele tank. Schuif de spiegel langs de paal om hem op gelijke hoogte te brengen met het centrum van het onderzoeksvolume en zet hem vervolgens vast.

Monteer vervolgens de camera achter de primaire spiegel. Zet het centrum van de camerabeelden samenvallend met het centrum van de primaire spiegel. Ga nu naar de computer om de verbinding met de camera te controleren.

Ga verder met het opzetten van de interface tussen de camera en de opnamesoftware. Begin met de cameraweergave van de primaire spiegel en de omgeving ervan. Gebruik de regeling voor het interessegebied van de software om de breedte en hoogte van de cameraweergave aan te passen zodat deze alleen de primaire spiegel bedekt.

De volgende stap is het plaatsen van een kalibratiedoelwit in de tank om de secundaire spiegels in te stellen. Dit doelwit is op maat ontworpen om het hele onderzoeksvolume te omvatten. Het doelwit heeft doelpunten van één millimeter diameter voor kalibratie.

Plaats eerst een platform met instelbare hoogte in de tank om het doelwit te ondersteunen. Plaats het kalibratiedoelwit op het platform en richt het zo dat het naar de camera is gericht. Pas de hoogte van het platform aan zodat het centrum van het kalibratiedoelwit overeenkomt met het centrum van het kalibratievolume.

Ga verder met het voltooien van de vierwegsplitter. Pas de positie van de primaire spiegel aan zodat deze het volledige onderzoeksvolume vastlegt. De secundaire spiegels zijn gemonteerd op verticale montageposten aan weerszijden van de primaire spiegel.

Monteer elke secundaire spiegel zo dat deze ruwweg is uitgelijnd met het camerabeeld vanaf de dichtstbijzijnde kant van de primaire spiegel. Zet de secundaire spiegel vast. De uiteindelijke opstelling moet geometrisch symmetrisch zijn ten opzichte van de primaire spiegel.

Gebruik een laserpointer en richt deze op een spiegel om het beeldpad te visualiseren. Maak uiteindelijke aanpassingen aan de secundaire spiegel met behulp van de straalweg als gids, zodat het beeld het hele kalibratiedoelwit omvat. Herhaal de visualisatie van het beeldpad en maak aanpassingen voor elk van de resterende secundaire spiegels.

Nadat alle spiegels zijn aangepast, controleert u de subbeelden van het camerabeeld. Observeer op de computer het camerabeeld van de beelden. Bij de beeldsplitter beweegt u een van de secundaire spiegels om overlapping van subbeelden te onderzoeken.

Als er slechts één beeld verandert terwijl de spiegel beweegt, is er verwaarloosbare overlapping. Met de vierwegsplitter op zijn plaats, zet de camera uit en ga verder met het werk met de verlichting. Plaats lichtbronnen direct tegenover het onderzoeksvolume van bovenaf.

In dit experiment wordt een vergrootglas direct onder de lichtbronnen geplaatst om de lichtomvang te verhogen. Zet de lichtbronnen aan en controleer visueel of het licht gelijkmatig over het gehele onderzoeksvolume is verdeeld. Begin met het optimaliseren van de opstelling door terug te keren naar het werk met de camera.

Pas de lensfocus aan totdat de reflectie door de primaire spiegel gelijkmatig scherp is in alle vier de beelden van de secundaire spiegels. Zorg ervoor dat de beelden van de beeldsplitter symmetrisch zijn en het onderzoeksvolume laten zien. Ga verder met het aanpassen van de f-stop om zowel het dichtstbijzijnde als het verst verwijderde punt op het kalibratiedoelwit te kunnen vastleggen.

De camera zal alleen tracerdeeltjes in het onderzoeksvolume vastleggen. In dit stadium gaat u naar de opnamesoftware. Stel de gewenste framesnelheid in.

Voor dit experiment wordt 550 Hertz gebruikt. Maximaliseer vervolgens de lichtschuwheid in overeenstemming met de gekozen framesnelheid. Bereid u voor om kalibratiebeelden van het kalibratiedoelwit te maken.

Bevestig een LED-zaklamp aan de tank direct boven het doelwit voor belichting. Leg verschillende beelden van het doelwit vast via de vierwegsplitter voor latere kalibratiestappen. Wanneer u klaar bent, verwijdert u het kalibratiedoelwit, zijn ondersteuningsstandaard en het licht om te beginnen met het aanpassen van de belichting.

Bereid een kleine hoeveelheid zaadpartikelen voor om de belichting te optimaliseren. Neem een kleine beker met water en voeg de zaadpartikelen eraan toe. Wacht tot de deeltjes zich hebben verspreid.

De deeltjes zijn holle keramische bollen met een diameter van 100 micrometer, bedekt met zilver. Giet het mengsel in de tank om te helpen bij het optimaliseren van de belichting en camera-instellingen. Ga door met de kamerlichten uit en de lichtbronnen aan.

Controleer op de computer het live camerabeeld van de primaire spiegel en controleer de belichting in elk beeld door het verschil in deeltjesdichtheid tussen de beelden te observeren. De geometrie in dit experiment zorgt ervoor dat de bovenste twee spiegels minder licht ontvangen. Bij de opstelling verhelpt u dit door een platte spiegel onder de lichtbron aan de onderkant van de tank te plaatsen.