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

Tal van gebieden in zowel de techniek en de natuurwetenschappen te betrekken problemen in verband met vloeistof deeltjes interactie. Deze methode biedt een relatief goedkope, niet-opdringerige gelijktijdige optische meting van zowel deeltjestrajecten als stroomsnelheden. Hier meten we de bezindheidssnelheden van sedimentdeeltjes in een turbulente stroming, waardoor gedetailleerde karakterisering van de deeltjestrajecten mogelijk wordt en tegelijkertijd turbulente snelheden op dezelfde locatie kunnen worden gemeten.

Om te beginnen met het deeltjesbeeld velocimetrie setup, bevestig een dual head hoge intensiteit puls laser horizontaal niveau op een optische plaat, in lijn met de flow faciliteit. Plaats een cilindrische lens in lijn met de laser om een 2D-vlak van licht dat zal worden onder de oscillerende raster te produceren. Monteer vervolgens een bolvormige lens na de cilindrische lens op een afstand die een lichtplaat genereert die 5 tot een millimeter dik is.

Plaats vervolgens een ccd-camera met dubbele belichting loodrecht op het lichtblad om beelden op te nemen voor PIV. Bevestig een lens aan de camera, zet hem aan en zet hem in op vrije en continue modus. Richt de PIV-camera grof op de turbulente stroomvoorziening.

Pas het diafragma en de camerapositie aan totdat het beeld kleiner is dan of dicht bij de gewenste lichtplaatgrenzen. Schakel vervolgens de camera uit en zet de laser bij lage intensiteit aan. Controleer of de lichtplaat loodrecht op de vloer staat en plaats vervolgens een kalibratiedoel dat precies in het midden van de lichtplaat is gemarkeerd met een raster.

Het is essentieel om ervoor te zorgen dat de PIV-camera loodrecht op de lichtplaat staat en dat de lichtplaat loodrecht staat op de vloer of de bodem van de faciliteit. Verkeerde uitlijning resulteren in onjuiste snelheid projecties, en dus vloeistof snelheid fout. Zet de laser uit en zet de camera weer aan.

Richt de camera op het kalibratiedoel en leg één beeld vast. Open de afbeelding in de software voor beeldverwerking en bevestig dat de rij-, hoogte- en kolomafstand consistent is voor het doel. De hoekmarkeringsgroottes mogen niet meer dan één pixel verschillen en idealiter moeten ze identiek zijn.

Als de afbeelding aan deze criteria voldoet, verwijdert u het kalibratiedoel. Installeer het raster en voer de faciliteit uit. Introduceer dan ongeveer een eetlepel PIV-tracerdeeltjes in de vloeistof.

Wacht tot de tracers en vloeistof goed gemengd zijn voordat ze verder gaan. Schakel vervolgens de laser in en stel deze in op externe controle en hoog vermogen. Schakel de kamerverlichting uit en leg een afbeeldingspaar vast om de tracerdichtheid te evalueren.

Geleidelijk verhogen van de tracer concentratie door theelepel-volen aan de gewenste visuele dichtheid. Stel vervolgens de framesnelheid van de PIV-camera in op de hoogst mogelijke waarde en stel de tijd in tussen opeenvolgende PIV-beelden. Controleer of de laser op de juiste manier is geconfigureerd.

Schakel vervolgens de lichten uit en verzamel gegevens in de vrije modus voor een paar seconden. Cross correleert de afbeeldingsparen en bevestig dat de verkregen gegevens van goede kwaliteit zijn. Stop de rastertillatie wanneer u klaar bent.

Om te beginnen met het opzetten van 2D-deeltjes tracking, plaats een monochromatische LED-lijn licht onder de oscillatie raster faciliteit, zodat de lichtplaat zal worden gecentreerd binnen de LED-lijn. Zet het LED-lijnlicht en de laser op laag vermogen aan. Controleer of het lichtblad en het lijnlicht goed zijn uitgelijnd en schakel ze vervolgens uit.

Bevestig vervolgens een lens aan een CMOS high speed camera om te worden gebruikt voor deeltjestracking. Zet de camera in de vrije continue of live-modus, en grof richten op de regio van belang. Pas de diafragmahoogte en afstand van de deeltjestrackingcamera aan totdat het gebied van belang is met zijn gezichtsveld en de camera vlak en loodrecht op het lijnlicht staat.

Zet de camera uit. Zet het lijnlicht aan en plaats het kalibratiedoel in het midden van het lijnlicht. Schakel vervolgens het lijnlicht uit, zet de camera aan en richt deze op het doel.

Leg een beeld van het kalibratiedoel vast en bevestig dat de deeltjesvolgcamera vlak is, loodrecht op het doel en in focus zonder beeldvervorming aan de randen. Verwijder daarna het kalibratiedoel. Stel vervolgens het aantal te verzamelen hoge snelheidsbeelden in.

Stel op basis van de verwachte deeltjessnelheid de framesnelheid en -resolutie in op waarden die deeltjesverplaatsing van drie tot 10 pixels tussen afbeeldingen moeten bereiken. Installeer het raster, zet het LED-lijnlicht aan en maak de ruimte donkerder. Start de raster oscillatie en introduceer een klein deel van de deeltjes van belang in de stroom.

Wanneer de deeltjes verschijnen op de high speed camera, leg een paar frames. Het is belangrijk dat de deeltjessporen duidelijk zichtbaar zijn in de beelden, wat aangeeft dat de deeltjes in het vlak blijven en elkaar niet vaak overlappen. Als u niet aan deze criteria voldoet, kan de deeltjes niet nauwkeurig worden gevolgd.

Bevestig dat er geen zichtbare ingangseffecten zijn, dat de overlapping van deeltjes zeldzaam is en dat deeltjesbewegingen voornamelijk in het vlak zijn. Stop de oscillatie wanneer u klaar bent. Om te beginnen met de uiteindelijke kalibratie, met de lichten gedimd plaats de kalibratie doel in de LED en laser lichtplaten.

Zet de laser en LED uit en zet de kamerverlichting aan. Zorg ervoor dat het kalibratiedoel scherp is in de camera-FOV's en een uniek merk heeft dat zichtbaar is voor beide camera's. Leg een beeld vast van het kalibratiedoel op beide camera's.

Let op de relevante plaatsingen van het unieke merk en bevestig dat de camera's nog steeds vlak zijn en geen vervorming vertonen rond de randen. Verwijder vervolgens het kalibratiedoel, installeer het raster en start de oscillatie. Laat het minstens 20 minuten lopen om de stroom in een stabiele toestand te laten bereiken.

Maak vervolgens de ruimte donkerder, zet het LED-lijnlicht aan en introduceer de deeltjes in de stroom. Tegelijkertijd start de laserpulsen en beeldverwerving voor beide systemen wanneer deeltjes verschijnen in de deeltjes tracking camera FOV. Wanneer de gegevensverwerving is voltooid, slaat u de afbeeldingen op en stopt u de rasterschoiling.

Analyseer de verdeling van de stroomsnelheid en de deeltjestrajecten. De PIV-beelden kunnen worden verwerkt tot momentane vloeistofsnelheid en vorticity-distributies. Hier wordt de vloeistofsnelheidsvectordistributie bedekt op een vorticity kleurenkaart.

Met deze opstelling moet de omvang van het ruimtegemiddelde van wortelgemiddelde schommelingen in de gevierende vloeistofsnelheid over het PIV-gezichtsveld toenemen met oscillatiefrequentie voor zowel horizontale als verticale snelheidscomponenten. Deeltjestrajecten en snelheden kunnen worden bepaald aan de hand van de beelden van deeltjes bij hoge snelheid. De verdeling van deeltjessnelheden moet ongeveer gaussian zijn.

Hier toonden de grotere onregelmatig vormen de deeltjes over het algemeen deeltjessnelheidsdistributies met grotere standaarddeviaties dan die van de kleinere, bolvormige deeltjes. Hoewel beide sets van deeltjes toonde distributies met grotere gemiddelde verticale snelheden en grotere standaarddeviaties als het raster oscillatie tarief verhoogd. De stagnerende stroom die snelheden van synthetische deeltjes, industrieel zand en lokaal verzameld zand bezink, bepaald uit hun deeltjestrajecten, allemaal ruwweg overeengekomen met de Dietrich-krommen.

De neiging van deeltjes die snelheden regelen om met de frequentie van de netost oscillatie te stijgen werd verder onderzocht in verdere analyse. Gelijktijdige optische meting van zowel deeltjeskinetiek als vloeistofdynamica, met name turbulentie, is een uitdaging vanwege het potentieel voor interferentie tussen de twee beeldvormingstechnieken, wat resulteert in meetonnauwkeurigheden. Stromen die sterk driedimensionaal zijn, zijn niet goed geschikt voor deze techniek, omdat uit vliegtuigbewegingen fouten zullen ontstaan in zowel de 2D-tracking als de deeltjesschilmetrieanalyse.

De concentratie van rupsdeeltjes moet relatief laag zijn om het vertrouwen te maximaliseren dat hetzelfde deeltje wordt gevolgd in opeenvolgende beelden. Ook moeten PIV-tracers en de deeltjes die worden gevolgd voldoende verschillend zijn in grootte om ze te onderscheiden. De integratie van de stroomsnelheid informatie met de deeltjesbaan hangt af van wat er wordt onderzocht.

Deze methode kan bijvoorbeeld ook de stroomsnelheden onderzoeken in specifieke gevallen in de tijd langs de baan van het deeltje. Deze techniek werd gedemonstreerd met sedimenttransport, een toepassing voor bewegingswetenschappen, maar het is relevant in veel toepassingen waar de vloeistofstroom interageert met natuurlijke of door de mens gemaakte deeltjes.