Używamy druku 3D do wytwarzania anizotropowych cząstek w kształcie waletów, krzyżyków, tetrad i triad, których wyrównanie i rotacje w turbulentnym przepływie płynu mogą być mierzone na podstawie wielu jednoczesnych obrazów wideo.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Metody pomiaru orientacji i szybkości rotacji cząstek wydrukowanych w 3D w turbulencji
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Przedstawiono eksperymentalne metody pomiaru ruchu obrotowego i translacyjnego cząstek anizotropowych w płynach turbulentnych, flows. 3D technologia druku jest używana do wytwarzania cząstek o smukłych ramionach połączonych we wspólnym środku. Badane kształty to krzyże (dwa prostopadłe pręty), walety (trzy prostopadłe pręty), triady (trzy pręty w trójkątnej symetrii płaskiej) i tetrady (cztery ramiona w symetrii czworościennej). Opisano metody wytwarzania rzędu 10 000 cząstek barwionych fluorescencyjnie. Czasowo-rozdzielcze pomiary ich orientacji i szybkości obrotu ciała stałego uzyskuje się z czterech zsynchronizowanych filmów ich ruchu w turbulentnym przepływie między oscylującymi siatkami o Rλ = 91. W tym stosunkowo niskim przepływie o liczbie Reynoldsa, adwekowane cząstki są na tyle małe, że zbliżają się do elipsoidalnych cząstek znacznikowych. Prezentujemy wyniki czasowo-rozdzielczych trajektorii 3D położenia i orientacji cząstek oraz pomiary szybkości ich rotacji.
Wprowadzenie
W niedawnej publikacji przedstawiliśmy użycie cząstek wykonanych z wielu smukłych ramion do pomiaru ruchu obrotowego cząstek w turbulencji1. Cząstki te można wytwarzać za pomocą drukarek 3D, a za pomocą wielu kamer można dokładnie zmierzyć ich położenie, orientację i szybkość obrotu. Korzystając z narzędzi teorii smukłych ciał, można wykazać, że cząstki te mają odpowiadające im efektywne elipsoidy2, a ruchy obrotowe tych cząstek są identyczne z ruchami ich odpowiednich efektywnych elipsoid. Cząstki o symetrycznych ramionach o równej długości obracają się jak kule. Jedną z takich cząstek jest podnośnik, który ma trzy wzajemnie prostopadłe ramiona ....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Wytwarzanie cząsteczek
- Użyj programu do projektowania wspomaganego komputerowo 3D (CAD), aby stworzyć modele cząsteczek. Eksportuj jeden plik na każdy model w formacie obsługiwanym przez używaną drukarkę 3D.
- Użyj polecenia Koło, aby narysować koło o średnicy 0.3 mm. Użyj funkcji Wyprowadź (Extrude), aby stworzyć cylinder o długości 3 mm.
- Stwórz krzyż z dwóch cylindrów ortogonalnych ze wspólnym środkiem; stwórz „jack” z trzech cylindrów wzajemnie ortogonalnych ze wspólnym środkiem; stwórz tetradę z czterech cylindrów dzielących wspólny koniec pod kątami 109.5° względem siebie; stwórz triadę z trzech cylindrów w jednej płaszczyźnie ....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Rysunek 3a przedstawia obraz tetrad z jednej z naszych kamer nad wykresem kątów Eulera uzyskanych z fragmentu jej trajektorii (Rysunek 3c). Na Rysunku 3b wyniki algorytmu wyznaczania orientacji, opisanego w Protokole 5 - 5.3, są nałożone na obraz tetrad. Ramiona tetrad na Rysunku 3a nie wykazują prostych rozkładów intensywności, które są wykorzystywane do tworzenia modelu (Protokół 5.1.3.1). Dotyczy to wszystkich cząstek........
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Pomiary wirowości i rotacji cząstek w turbulentycznym przepływie płynu od dawna są uznawane za istotne cele w eksperymentalnej mechanice płynów. Rotacja bryły sztywnej małych sfer w turbulencji jest równa połowie wirowości płynu, jednak symetria obrotowa sfer utrudnia bezpośredni pomiar ich rotacji jako bryły sztywnej. Tradycyjnie wirowość płynu mierzono za pomocą złożonych, wielosensorowych sond z gorącym drutem14. Sensory te umożliwiają jednak jedynie punktowe pomiary wirowości w przepływach powietrza o duże.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych do ujawnienia.
Podziękowania
Dziękujemy Susantha Wijesinghe, która zaprojektowała i zbudowała system kompresji obrazów, którego używamy. Dziękujemy za wsparcie z grantu NSF DMR-1208990.
....Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Condor Nd:YAG 50 W laser | Quantronics | 532-30-M | |
| kamera | Basler | A504k | |
| Szybka kamera | Mikrotron | EoSens Mc1362 | |
| Rhodamina-B | ScienceLab.com | SLR1465 | |
| Wodorotlenek sodu | Macron | 7708 | Granulki. |
| Drukarka 3D 500 Connex | Objet | Służy do wytwarzania mniejszych cząstek. Cząstki zamówione w RP+M (szybkie prototypowanie plus produkcja). | |
| VeroClear | Stratasys | RGD810 | Objet. |
| Clear Form 1 Żywica fotopolimerowa | Formlabs Obiektywy | ||
| cylindryczne i sferyczne, | |||
| obiektywy makro 200 mm, | mocowanie F. | ||
| Kąpiel ultradźwiękowa | Sonikator | ||
| Chlorek wapnia | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | CAS 10043-52-2 | Granulki. |
| Oprogramowanie do projektowania systemów LabVIEW | National Instruments | Służy do wyzwalania kamer, siatki sterującej i wyzwalania lasera. | |
| Oprogramowanie XCAP | EPIX | Używane z LabVIEW do wyzwalania kamer. | |
| MATLAB | Mathworks | Służy do wszystkich analiz obrazów i danych. Do tej publikacji dołączone są programy do wyodrębniania orientacji 3D z wielu obrazów. | |
| OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetres | OpenPTV Consortium | ||
| ParaView | Kitware | ||
| AutoCAD | AutoDesk | Służy do projektowania wszystkich cząstek. Wszystkie zrzuty ekranu projektów cząstek pochodzą z programu AutoCAD. | |
| Siatka z otworami 0,040 x 0,053 cala | Siatka przemysłowa | XN5170– 43.5 | |
| Filtry do kamer | Schneider Optics | B+W 040M |
Bibliografia
- 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 ....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
Przeglądaj więcej artykułów
cząsteczki drukowane w technologii 3Dpomiar przepływu turbulentnegośledzenie orientacji cząsteczekanaliza prędkości obrotowejobrazowanie cząsteczek fluorescencyjnychstereoskopowa kalibracja wideoturbulencja generowana przez oscylującą kratęanizotropowa dynamika cząsteczektensor gradientu prędkościroztwór o neutralnej wyporności
