Metody pomiaru orientacji i szybkości rotacji cząstek wydrukowanych w 3D w turbulencji

Ogólnym celem tego eksperymentu jest wykorzystanie drukarki 3D do wytwarzania cząstek o różnych kształtach i mierzenia ich ruchu w przepływie turbulentnym. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące dynamiki płynów, takie jak to, jak cząstki obracają się i wyrównują w turbulentnych przepływach płynów. Jego główną zaletą jest to, że pozwala na precyzyjne pomiary orientacji cząstek o skomplikowanych kształtach z rozdzielczością czasową, których nie można było osiągnąć wcześniejszymi metodami.

Metoda ta dostarczyła informacji na temat ruchu dysków i kul w turbulencjach i może być wykorzystana do pomiaru dynamiki cząstek o skomplikowanych kształtach w wielu innych sytuacjach. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które dopiero zaczynają korzystać z tej metody, będą miały problemy z kalibracją kamery 3D i dostosowaniem algorytmu znajdowania orientacji do konkretnych, konkretnych używanych cząstek. W demonstracji tej procedury pomoże Guy Marcus, który przeprowadził oryginalne eksperymenty z krzyżykami i waletami.

Zacznij od korzystania z oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo, aby stworzyć modele cząstek do druku. Aby utworzyć triadę za pomocą programu AutoCAD, najpierw użyj polecenia okrąg, aby narysować okrąg o średnicy 0,3 milimetra. Następnie użyj polecenia wyciągnięcia, aby utworzyć walec o długości trzech milimetrów.

Cylindry tej wielkości są budulcem cząstek. Teraz użyj polecenia obróć i wybierz oś obrotu, która ma znajdować się wzdłuż osi X, a kąt obrotu ma wynosić 90 stopni. Dostosuj widok, aby zapewnić miejsce na pracę z innymi cylindrami.

Następnie wykonaj kopię cylindra, który będzie drugim ramieniem triady. Na końcu tego walca zastosuj polecenie obróć 3D z osią obrotu wzdłuż osi Z. Obróć cylinder o 120 stopni dla triady.

Przesuń obrócony cylinder na miejsce, aby utworzyć ramię triady. Środki końców cylindrów powinny się pokrywać. Wykonaj i ustaw trzecie ramię w ten sam sposób.

Następnie obróć obiekt tak, aby żaden cylinder nie wskazywał wzdłuż dostępu pionowego lub poziomego. Gdy wszystkie ramiona są na swoim miejscu, zaznacz je wszystkie i użyj polecenia union, aby połączyć je w jeden obiekt. Zapisz plik w formacie umożliwiającym drukowanie 3D.

Utwórz inne cząstki, które zostaną użyte w eksperymencie, wykonując podobne kroki. Oprócz triady istnieje krzyż zbudowany z dwóch ortogonalnych cylindrów ze wspólnym środkiem, podnośnik zbudowany z trzech wzajemnie ortogonalnych cylindrów o wspólnym środku oraz tetrada, w której cylindry mają wspólny koniec i są ustawione względem siebie pod kątem 109,5 stopnia. Wydrukuj około 10 000 cząstek każdego typu w trybie wysokiej rozdzielczości.

Przygotować się do przechowywania wydrukowanych cząstek w roztworze, w którym mają neutralną pływalność. W tym celu należy użyć roztworu chlorku wapnia i około 1 600 litrów wody o neutralnej gęstości wyporu. Usuń około jednego litra roztworu, aby przechowywać każdy rodzaj cząstek.

Weź litr roztworu na ławkę i rozpocznij pracę z cząstkami. Cząstki użyte w tym eksperymencie zostały komercyjnie wydrukowane. Są one dostarczane w żywicy używanej jako materiał nośny.

Uwolnij cząsteczki, delikatnie rozbijając duże kawałki na małe sekcje. Pracuj z każdą sekcją, aby ręcznie ją masować, aż większość nadmiaru żywicy zejdzie. Ułatwi to późniejsze kroki.

Aby dokładniej oczyścić cząstki, przygotuj 10% masowo roztwór wodorotlenku sodu w zlewce. Następnie umieść kilka cząstek i to, co pozostało z ich żywicy, otaczając je w zlewce, aby usunąć żywicę. Przenieść zlewkę z roztworem do kąpieli ultradźwiękowej.

Cząsteczki należy przechowywać w kąpieli ultradźwiękowej początkowo przez godzinę, a następnie dodatkowe pół godziny po spłukaniu. W celu odzyskania cząstek należy przygotować drugą zlewkę, w której otrzyma się roztwór wodorotlenku sodu z kąpieli i filtra. Po zakończeniu etapów czyszczenia ultradźwiękowego należy w rękawiczkach wyjąć zlewkę z kąpieli i przelać zawartość przez filtr do drugiej zlewki.

Wypłucz cząstki przed przeniesieniem ich do roztworu o dopasowanej gęstości, gdzie zostaną zanurzone, aby zapobiec deformacji. Są to cząstki, które zostały uwolnione od żywicy, oczyszczone w kąpieli ultradźwiękowej i są teraz gotowe do barwienia w celu fluorescencji w zielonym świetle lasera. Aby zabarwić cząsteczki, użyj jednolitrowego roztworu barwnika Rhodamina-B w wodzie i umieść go na gorącej płycie.

Podgrzej barwnik do 80 stopni Celsjusza dla materiału, z którego wykonana jest ta cząstka. Luźno napełnij mały pojemnik cząstkami z magazynu. Będzie to około 2 500 cząstek.

Dodaj cząsteczki do roztworu barwnika i utrzymuj temperaturę, gdy są zanurzone. Po około dwóch lub trzech godzinach usuń roztwór i cząstki z ognia. Użyj siatki i oddzielnego pojemnika, aby odfiltrować cząstki z roztworu.

Uważaj, aby ich nie uszkodzić, gdy są miękkie od ciepła. Następnie ostrożnie spłucz cząsteczki, aby usunąć nadmiar barwnika. Po zakończeniu przechowuj je w neutralnym roztworze wyporności, aż będą potrzebne do eksperymentu.

Eksperyment odbędzie się w zbiorniku z kamerami umieszczonymi w celu rejestrowania cząstek znajdujących się w środku przepływu. Ten schemat zawiera przegląd konfiguracji zbiornika, który ma ośmiokątny przekrój poprzeczny, oscylujące siatki używane do tworzenia przepływu turbulentnego, objętość pomiarową i pozycje kamery. Użyj co najmniej czterech kamer, aby zapewnić dokładność pomiaru orientacji.

Każda kamera powinna mieć rozdzielczość co najmniej jednego megapiksela przy 450 klatkach na sekundę i być podłączona do dedykowanego komputera. Ustaw kamery pod dużymi kątami między dowolnymi dwoma z nich i upewnij się, że wszystkie są skupione na żądanej objętości pomiarowej. Aby zminimalizować zniekształcenia optyczne, w zbiorniku wbudowane są porty obserwacyjne, które są prostopadłe do kierunku patrzenia kamery.

Następnie umieść maskę kalibracji obrazu w objętości pomiarowej zbiornika. Pozwoli to na analizę danych eksperymentalnych zebranych przez kamery. Aby zasymulować warunki eksperymentalne, rozpocznij napełnianie zbiornika roztworem o neutralnej wyporności

Gdy zbiornik jest napełniony, ustaw światła, aby oświetlić maskę. Następnie wróć do pracy z kamerami. Ustaw ostrość każdą kamerę na tym samym punkcie maski, a następnie uzyskuj i zapisuj obrazy do kalibracji.

Po opróżnieniu zbiornika kontynuuj konfigurację eksperymentu, umieszczając laser neodymowo-itrowo-aluminiowo-granatowy. Zorganizuj rozdzielacz wiązki, który skieruje część wiązki laserowej do lustra. Światło przechodzi z lustra przez soczewki, które tworzą cylindryczną wiązkę i wpada do zbiornika.

Po przeciwnej stronie zbiornika umieść lustro, aby odbijać wychodzące światło lasera z powrotem wzdłuż jego ścieżki. Użyj drugiego wyjścia rozdzielacza wiązki i podobnego układu luster i soczewek, aby utworzyć cylindryczną wiązkę prostopadłą do pierwszej, jak na tym schemacie widoku z góry. Lustra, z których wychodzą promienie, pomagają stworzyć bardziej równomierne oświetlenie.

Następnie sprawdź zbiornik, który jest wypełniony odgazowanym roztworem chlorku wapnia o neutralnej pływalności. Zanim przejdziesz dalej, upewnij się, że kamery i oprogramowanie do akwizycji danych są gotowe. Przygotuj się do dodania do zbiornika około 10 000 tetrad, które zostały przygotowane do tego eksperymentu.

Przenieś je na miejsce w pobliżu portu w górnej części zbiornika. Gdy będziesz gotowy, otwórz port i dodaj cząstki do wody w zbiorniku. Zamknij port po dodaniu wszystkich cząstek.

Następnie przejdź do lasera. Tam włącz go i otwórz przysłonę lasera. Następnie użyj elementów sterujących siatką, aby uruchomić oscylację siatki z częstotliwością trzech herców.

W zbiorniku pozwól siatce oscylować przez około jedną minutę, aby turbulencje mogły się w pełni rozwinąć. W tym momencie rozpocznij zbieranie danych i zapisz około miliona klatek. Po zakończeniu biegu przerwij zbieranie danych i zamknij aperturę lasera.

Po przeprowadzeniu wszystkich eksperymentów przejdź do wylotu zbiornika. Tam umieść filtr, aby usunąć cząstki z roztworu i opróżnij zbiornik. Zebrane cząstki należy zachować w neutralnym roztworze wyporności do późniejszego wykorzystania.

Przeprowadź analizę danych na zarejestrowanych obrazach za pomocą oprogramowania, aby znaleźć pozycję i orientację cząstek. Poniższe kroki są zaimplementowane w oprogramowaniu. Zaczynając od czterech synchronicznych obrazów cząstki uchwyconej przez cztery kamery, użyj informacji dwuwymiarowych, aby określić jej trójwymiarowe położenie.

Rzutuj trójwymiarowy model numeryczny oświetlonej cząstki na każdą kamerę, korzystając z parametrów kalibracji kamery. W ten sposób powstaje dwuwymiarowy model natężenia światła od cząstki we wszystkich czterech kamerach. Następnie uruchom nieliniową procedurę dopasowania metodą najmniejszych kwadratów, aby znaleźć orientację modelu, która najlepiej pasuje do tego, co jest widoczne we wszystkich czterech kamerach.

Połącz informacje ze wszystkich czterech kamer, aby zminimalizować różnicę między modelem rzutowanym na każdą z kamer a obserwowaną cząstką. Te kroki zostaną wykonane dla wszystkich klatek, które zawierają cząsteczki w polu widzenia wszystkich kamer. Jest to ewolucja tetrady pod względem pozycji i orientacji.

Zwróć uwagę na nieciągłą zmianę orientacji ramion tetradowych, która jest możliwa bez zabezpieczeń. Ta druga wersja ewolucji tetrady pokazuje, że oprogramowanie zapewnia, że kąty naoliwiarki dla każdej ramy są najmniejszym obrotem w stosunku do poprzedniej ramy. Informacje o położeniu i orientacji są zapisywane do późniejszego wykorzystania.

To jest jeden obraz z kamery przedstawiający tetradę w eksperymencie. Na drugim obrazie nałożony model wskazuje orientację znalezioną przez algorytm. Pomimo prostoty dwuwymiarowego modelu intensywności, metoda ta pozwala na dokładne pomiary orientacji cząstek.

W eksperymencie algorytm znajdowania orientacji jest używany do uzyskania ewolucji kątów olejowania wzdłuż całej trajektorii każdej cząstki. Jest to rekonstrukcja pełnej trajektorii tetrady w poprzek objętości oglądania. Osiąga się to poprzez połączenie orientacji i trójwymiarowych współrzędnych cząstki dla każdej klatki, w której znajduje się ona w polu widzenia wszystkich czterech kamer.

Długość toru to 229 klatek. Zauważ, że cząstka nie jest rysowana do skali. Dane pozwalają również na wyznaczenie funkcji gęstości prawdopodobieństwa mierzonego współczynnika przewracania.

Czerwone kwadraty to dane dla krzyżyków. Niebieskie kółka to dane dla gniazd. Linia ciągła reprezentuje wynik symulacji numerycznej kul, który bardzo dobrze pasuje do danych eksperymentalnych.

Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu trzech dni, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Podczas próby tej procedury ważne jest, aby pozostawić cząstkom kilka godzin w roztworach o różnej gęstości. Istotne jest również, aby upewnić się, że kamery są odpowiednio ustawione, zamocowane i zsynchronizowane przez cały czas trwania eksperymentu.

Zgodnie z tą procedurą, inne metody, takie jak śledzenie cząstek znacznikowych, mogą być wykorzystane do zmierzenia, jak cząstki wydrukowane w 3D reagują na tenser gradientu pełnej prędkości w otaczającym przepływie. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak używać cząstek anizotropowych do wydobywania informacji o tenserze gradientu prędkości z przepływu turbulentnego za pomocą czterech stereoskopowych obrazów wideo. Nie zapominaj, że praca z barwnikiem Rhodamina-B i wodorotlenkiem sodu może być niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak rękawice i okulary.