Name: Metody pomiaru orientacji i szybkości rotacji cząstek wydrukowanych w 3D w turbulencji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 34 s
Description: Poznaj metodę pomiaru orientacji i rotacji cząstek drukowanych 3D w turbulencji przy użyciu stereoskopowego obrazowania wideo. Technika ta umożliwia precyzyjne badanie dynamiki płynów złożonych kształtów.

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

Dziękujemy Susantha Wijesinghe, która zaprojektowała i zbudowała system kompresji obrazów, którego używamy. Dziękujemy za wsparcie z grantu NSF 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>

Autorzy nie mają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych do ujawnienia.

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...

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 przymocowane w swoim środku. Dostosowanie względnych długości ramion podnośnika może utworzyć cząstkę odpowiadającą dowolnej elipsoidzie trójosiowej. Jeśli długość jednego ramienia jest równa zero, tworzy to krzyż, którego odpowiednikiem elipsoidy jest dysk. Cząstki zbudowane ze smukłych ramion zajmują niewielki ułamek objętości ciała stałego swoich stałych elipsoidalnych odpowiedników. W rezultacie osadzają się wolniej, co ułatwia ich dopasowanie gęstości. Pozwala to na badanie znacznie większych cząstek niż jest to wygodne w przypadku stałych cząstek elipsoidalnych. Dodatkowo obrazowanie można przeprowadzić przy znacznie wyższych stężeniach cząstek, ponieważ cząstki blokują mniejszą część światła od innych cząstek.
W tym artykule udokumentowane są metody wytwarzania i śledzenia cząstek wydrukowanych w 3D. Narzędzia do śledzenia ruchu translacyjnego cząstek sferycznych na podstawie pozycji cząstek widzianych przez wiele kamer zostały opracowane przez kilka grup3,4. Parsa i wsp.5 rozszerzono to podejście na drążki kierownicze, wykorzystując położenie i orientację prętów obserwowanych przez wiele kamer. W tym miejscu przedstawiamy metody wytwarzania cząstek o najróżniejszych kształtach i rekonstrukcji ich orientacji 3D. Daje to możliwość rozszerzenia śledzenia 3D cząstek o skomplikowanych kształtach na szeroki zakres nowych zastosowań.
Ta technika ma duży potencjał do dalszego rozwoju ze względu na szeroki zakres kształtów cząstek, które można zaprojektować. Wiele z tych kształtów ma bezpośrednie zastosowanie w przepływach środowiskowych, w których plankton, nasiona i kryształki lodu występują w szerokiej gamie kształtów. Powiązania między rotacją cząstek a podstawowymi małoskalowymi właściwościami przepływów turbulentnych6 sugerują, że badanie rotacji tych cząstek dostarcza nowych sposobów patrzenia na proces kaskady turbulentnej.

<table><tbody><tr><td>Condor Nd:YAG 50 W laser</td><td>Quantronics</td><td>532-30-M</td><td></td></tr><tr>Szybka<td>kamera</td><td>Basler</td><td>A504k</td><td></td></tr><tr><td>Szybka kamera</td><td>Mikrotron</td><td>EoSens Mc1362</td><td></td></tr><tr><td>Rhodamina-B</td><td>ScienceLab.com</td><td>SLR1465</td><td></td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu</td><td>Macron</td><td>7708</td><td>Granulki.</td></tr><tr><td>Drukarka 3D 500 Connex</td><td>Objet</td><td></td><td>Służy do wytwarzania mniejszych cząstek. Cząstki zamówione w RP+M (szybkie prototypowanie plus produkcja).</td></tr><tr>Materiał budowlany <td>VeroClear</td><td>Stratasys</td><td>RGD810</td><td>Objet.</td></tr><tr><td>Clear Form 1 Żywica fotopolimerowa</td><td>Formlabs Obiektywy</td><td></td><td></td></tr><tr><td>cylindryczne i sferyczne,</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>obiektywy makro 200 mm,</td><td></td><td></td><td>mocowanie F.</td></tr><tr><td>Kąpiel ultradźwiękowa</td><td>Sonikator</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chlorek wapnia</td><td>Spectrum Chemical Mfg. Corp.</td><td>CAS 10043-52-2</td><td>Granulki.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do projektowania systemów LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td></td><td>Służy do wyzwalania kamer, siatki sterującej i wyzwalania lasera.</td></tr><tr><td>Oprogramowanie XCAP</td><td>EPIX</td><td></td><td>Używane z LabVIEW do wyzwalania kamer.</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks</td><td></td><td>Służy do wszystkich analiz obrazów i danych. Do tej publikacji dołączone są programy do wyodrębniania orientacji 3D z wielu obrazów.</td></tr><tr><td>OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetres</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>Służy do projektowania wszystkich cząstek. Wszystkie zrzuty ekranu projektów cząstek pochodzą z programu AutoCAD.</td></tr><tr><td>Siatka z otworami 0,040 x 0,053 cala</td><td>Siatka przemysłowa</td><td>XN5170&ndash; 43.5</td><td></td></tr><tr><td>Filtry do kamer</td><td>Schneider Optics</td><td>B+W 040M</td><td></td></tr></tbody></table>

metody pomiaru orientacji i szybkości rotacji cząstek wydrukowanych w 3d w turbulencji

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

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.

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....

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.

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

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

Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest wykorzystanie drukarki 3D do wytworzenia cząsteczek o szerokiej gamie kształtów oraz pomiar ich ruchu w przepływie turbulentnym. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu dynamiki płynów, takie jak sposób, w jaki cząsteczki obracają się i ustawiają w turbulentnych przepływach płynów. Jej główną zaletą jest możliwość przeprowadzenia precyzyjnych pomiarów orientacji cząsteczek o złożonych kształtach z rozdzielczością czasową, co nie było osiągalne przy użyciu poprzednich metod.Metoda ta pozwoliła na lepsze zrozumienie ruchu dysków i sfer w przepływie turbulentnym i może być wykorzystywana do pomiaru dynamiki cząstek o złożonych kształtach w wielu innych sytuacjach. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności przy kalibracji kamery 3D oraz podczas dostosowywania algorytmu wyznaczania orientacji do konkretnych rodzajów używanych cząstek. W zaprezentowaniu procedury pomoże Guy Marcus, który przeprowadził pierwotne eksperymenty z użyciem krzyżyków i podstawków.Pracę należy rozpocząć od wykorzystania oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) w celu stworzenia modeli cząsteczek do druku. Aby stworzyć triadę w programie AutoCAD, najpierw należy użyć polecenia koło, aby narysować okrąg o średnicy 0,3 mm. Następnie należy użyć polecenia wyciągnij, aby utworzyć cylinder o długości 3 mm. Cylindry o tej wielkości stanowią podstawowe elementy budulcowe cząsteczek. Teraz użyj polecenia obróć i wybierz oś obrotu wzdłuż osi X oraz kąt obrotu wynoszący 90 stopni. Dostosuj widok, aby zapewnić miejsce do pracy z pozostałymi cylindrami.Następnie utwórz kopię cylindra, który będzie drugim ramieniem triady. Na końcu tego cylindra zastosuj polecenie obrotu 3D (rotate 3D), przyjmując oś Z jako oś obrotu. Obróć cylinder o 120 stopni dla triady.Przesuń obrócony cylinder w odpowiednie miejsce, aby utworzyć ramię triady. Środki końców cylindrów powinny się pokrywać. W ten sam sposób przygotuj i ustaw trzecie ramię.Następnie obróć obiekt tak, aby żaden cylinder nie był skierowany wzdłuż osi pionowej lub poziomej. Gdy wszystkie ramiona będą na swoich miejscach, zaznacz je wszystkie i użyj polecenia sumowania (union), aby połączyć je w jeden obiekt. Zapisz plik w formacie przeznaczonym do druku 3D.Przygotuj pozostałe cząstki do wykorzystania w eksperymencie, postępując analogicznie. Oprócz triady, przygotuj krzyż składający się z dwóch ortogonalnych cylindrów ze wspólnym środkiem, „jack” składający się z trzech wzajemnie ortogonalnych cylindrów ze wspólnym środkiem oraz tetradę, w której cylindry mają wspólny koniec i są ustawione pod kątami 109.5 stopnia względem siebie. Wydrukuj około 10 000 cząstek każdego typu w trybie wysokiej rozdzielczości.Przygotuj roztwór do przechowywania wydrukowanych cząstek, w którym będą one posiadały wyporność neutralną. W tym celu zastosuj roztwór chlorku wapnia oraz około 1 600 litrów wody o gęstości odpowiadającej wyporności neutralnej. Odlej około jednego litra roztworu do przechowywania każdego rodzaju cząstek.Przenieś litr roztworu na stół laboratoryjny i rozpocznij pracę z cząsteczkami. Cząsteczki wykorzystane w tym eksperymencie zostały wydrukowane komercyjnie. Są one dostarczane zatopione w żywicy pełniącej funkcję materiału podporowego.Uwolnić cząsteczki, delikatnie rozbijając duże fragmenty na mniejsze części. Każdą część należy ręcznie masować, aż do usunięcia większości nadmiaru żywicy. Ułatwi to późniejsze etapy pracy.Aby dodatkowo oczyścić cząstki, należy przygotować w zlewce 10% roztwór wodorotlenku sodu (masowo). Następnie do zlewki należy umieścić cząstki wraz z pozostałościami otoczki żywicznej w celu usunięcia żywicy. Zlewkę z roztworem należy przenieść do kąpieli ultradźwiękowej.Pozostaw cząstki w kąpieli ultradźwiękowej początkowo na jedną godzinę, a następnie na dodatkowe pół godziny po płukaniu. Aby odzyskać cząstki, przygotuj drugi zlew do odebrania roztworu wodorotlenku sodu z kąpieli oraz filtr. Po zakończeniu etapów czyszczenia ultradźwiękowego, używając rękawiczek, wyjmij zlew z kąpieli i przelej jego zawartość przez filtr do drugiego zlewu.Opłucz cząsteczki przed przeniesieniem ich do roztworu o dopasowanej gęstości, w którym zostaną zanurzone, aby zapobiec ich deformacji. Są to cząsteczki uwolnione z żywicy, oczyszczone w kąpieli ultradźwiękowej, a obecnie gotowe do barwienia w celu uzyskania fluorescencji pod wpływem zielonego lasera. Aby zbarwić cząsteczki, należy użyć jednego litra roztworu barwnika Rhodamine-B w wodzie i umieścić go na płycie grzejnej.Podgrzać barwnik do 80 °C dla materiału tej cząstki. Luźno wypełnić mały pojemnik cząstkami z miejsca przechowywania. Będzie to około 2 500 cząstek.Dodaj cząstki do roztworu barwnika i utrzymuj temperaturę podczas ich zanurzenia. Po około dwóch lub trzech godzinach zdejmij roztwór wraz z cząstkami z ogniwa grzejnego. Użyj sitka i osobnego naczynia, aby odfiltrować cząstki z roztworu.Należy uważać, aby ich nie uszkodzić, gdy są miękkie pod wpływem ciepła. Następnie ostrożnie wypłukać cząsteczki, aby usunąć nadmiar barwnika. Po zakończeniu przechowywać je w roztworze o neutralnej wyporności do momentu ich wykorzystania w eksperymencie.Eksperyment zostanie przeprowadzony w zbiorniku z kamerami umieszczonymi w taki sposób, aby rejestrować cząstki w centrum przepływu. Poniższy schemat przedstawia ogólny układ zbiornika, który ma ośmiokątny przekrój poprzeczny, oscylujące kraty służące do generowania przepływu turbulentnego, objętość pomiarową oraz pozycje kamer. W celu zapewnienia dokładności pomiaru orientacji należy użyć co najmniej czterech kamer.Każda kamera powinna posiadać rozdzielczość co najmniej jeden megapiksel przy 450 klatkach na sekundę i być podłączona do dedykowanego komputera. Kamery należy ustawić pod dużymi kątami względem siebie, upewniając się, że wszystkie są ogniskowane na pożądanej objętości pomiarowej. Aby zminimalizować zniekształcenia optyczne, w zbiorniku zamontowano okna obserwacyjne prostopadłe do kierunku widzenia kamer.Następnie umieść maskę kalibracyjną obrazu w objętości pomiarowej zbiornika. Umożliwi to analizę danych eksperymentalnych zebranych przez kamery. Aby zasymulować warunki eksperymentalne, rozpocznij napełnianie zbiornika roztworem o neutralnej wyporności.Po napełnieniu zbiornika należy ustawić oświetlenie tak, aby iluminowało maskę. Następnie należy powrócić do pracy z kamerami. Każdą kamerę należy ustawić w ostrości na ten sam punkt na masce, a następnie pozyskać i zapisać obrazy do kalibracji.Po opróżnieniu zbiornika kontynuuj przygotowanie eksperymentu, ustawiając laser neodymowo-ittrowo-aluminiowy (Nd:YAG). Skonfiguruj dzielnik wiązki tak, aby skierował on część wiązki laserowej na lustro. Światło przechodzi z lustra przez soczewki, które formują wiązkę cylindryczną, a następnie wpada do zbiornika.Po przeciwnej stronie zbiornika należy umieścić lustro, aby odbić wychodzące światło laserowe z powrotem wzdłuż jego drogi. Należy wykorzystać drugie wyjście dzielnika wiązki oraz podobny układ luster i soczewek, aby stworzyć wiązkę cylindryczną prostopadłą do pierwszej, zgodnie z tym schematem w widoku z góry. Lustra, z których wychodzą wiązki, pomagają uzyskać bardziej jednorodne oświetlenie.Następnie należy sprawdzić zbiornik wypełniony odgazowanym roztworem chlorku wapnia o neutralnej wyporności. Przed kontynuacją 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 w miejsce obok otworu w górnej części zbiornika. Po przygotowaniu otwórz otwór i dodaj cząsteczki do wody w zbiorniku. Zamknij otwór po dodaniu wszystkich cząsteczek.Następnie przejdź do lasera. Włącz go, a następnie otwórz aperturę lasera. Po tym użyj sterowników siatki, aby rozpocząć oscylację siatki z częstotliwością 3 Hz.W zbiorniku pozwól siatce oscylować przez około jedną minutę, aby turbulencje mogły w pełni się rozwinąć. W tym momencie rozpocznij akwizycję danych i zarejestruj około jednego miliona klatek. Po zakończeniu pomiaru zatrzymaj gromadzenie danych i zamknij aperturę lasera.Po przeprowadzeniu wszystkich eksperymentów należy przejść do wylotu zbiornika. Tam należy umieścić filtr w celu usunięcia cząstek z roztworu, a następnie opróżnić zbiornik. Zebrane cząstki należy przechowywać w roztworze o neutralnej wyporności do późniejszego użycia.Przeprowadź analizę danych zarejestrowanych obrazów za pomocą oprogramowania w celu wyznaczenia pozycji i orientacji cząstki. W oprogramowaniu zaimplementowano następujące kroki. Rozpoczynając od czterech synchronicznych obrazów cząstki zarejestrowanych przez cztery kamery, wykorzystaj informacje dwuwymiarowe do określenia jej pozycji trójwymiarowej.Należy zrzutować trójwymiarowy model numeryczny oświetlonej cząsteczki na każdą z kamer, wykorzystując parametry kalibracji kamer. Pozwala to na stworzenie dwuwymiarowego modelu natężenia światła emitowanego przez cząsteczkę dla wszystkich czterech kamer. Następnie należy przeprowadzić nieliniową procedurę dopasowania metodą najmniejszych kwadratów, aby wyznaczyć orientację modelu, która najlepiej odpowiada obrazom zarejestrowanym przez wszystkie cztery kamery.Połącz informacje ze wszystkich czterech kamer, aby zminimalizować różnicę między modelem rzutowanym na każdą z kamer a obserwowaną cząstką. Kroki te zostaną wykonane dla wszystkich klatek, w których cząstki znajdują się w polu widzenia wszystkich kamer. Jest to ewolucja tetrad w położeniu i orientacji.Zauważmy nieciągłą zmianę orientacji ramion tetrady, która może wystąpić przy braku zabezpieczeń. Ta druga wersja ewolucji tetrady pokazuje, że oprogramowanie zapewnia, aby kąty Eulera dla każdej klatki stanowiły najmniejszy obrót w stosunku do poprzedniej klatki. Informacje o pozycji i orientacji są zapisywane do późniejszego wykorzystania.Jest to obraz z jednej kamery przedstawiający tetradę w eksperymencie. Na drugim obrazie nałożony model wskazuje orientację wyznaczoną przez algorytm. Pomimo prostoty dwuwymiarowego modelu intensywności, metoda ta pozwala na dokładne pomiary orientacji cząstek.W eksperymencie zastosowano algorytm wyznaczania orientacji w celu uzyskania ewolucji kątów Eulera wzdłuż całej trajektorii każdej cząstki. Jest to rekonstrukcja pełnej trajektorii tetrad w obrębie objętości obrazowania. Osiągnięto to poprzez połączenie orientacji i współrzędnych trójwymiarowych cząstki dla każdej klatki, w której była ona widoczna dla wszystkich czterech kamer.Długość ścieżki wynosi 229 klatek. Należy zauważyć, że cząstka nie jest narysowana w skali. Dane te pozwalają również na wyznaczenie funkcji gęstości prawdopodobieństwa zmierzonej częstotliwości koziołkowania.Czerwone kwadraty to dane dla krzyżaków. Niebieskie okręgi to dane dla klocków. Linia ciągła reprezentuje wynik symulacji numerycznej sfer, która bardzo dobrze zgadza się z danymi eksperymentalnymi.Po opanowaniu tej techniki można ją przeprowadzić w ciągu trzech dni, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Podczas realizacji tej procedury ważne jest, aby pozostawić cząsteczki przez kilka godzin w roztworach o różnych gęstościach. Niezbędne jest również upewnienie się, że kamery są prawidłowo wyrównane, zamocowane i zsynchronizowane przez cały czas trwania eksperymentu.Po zastosowaniu tej procedury można wykorzystać inne metody, takie jak śledzenie cząstek znacznika, aby zmierzyć, jak cząstki wydrukowane w technologii 3D reagują na pełny tensor gradientu prędkości w otaczającym przepływie. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak wykorzystać cząstki anizotropowe do wyodrębnienia informacji o tensorze gradientu prędkości z przepływu turbulentnego przy użyciu czterech stereoskopowych obrazów wideo. Należy pamiętać, że praca z barwnikiem Rhodamine-B i wodorotlenkiem sodu może być niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze przestrzegać środków ostrożności, takich jak stosowanie rękawiczek i gogli ochronnych.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Trójwymiarowy system prędkości śledzenia cząstek (3D-PTV) oparty na szybkiej kamerze z czterostopniowym rozdzielaczem jest opisany tutaj. Technika ta jest stosowana do strumienia strumienia z okrągłej rury w pobliżu dziesięciu średnic w dół rzeki pod numerem Reynoldsa Re ≈ 7000.

Trójwymiarowa prędkość śledzenia cząstek do zastosowań turbulencyjnych: przypadek przepływu strumieniowego

Prezentowane są dwie różne metody charakteryzowania początkowego ruchu cząstek pojedynczego koralika jako funkcji geometrii złoża osadu od przepływu laminarnego do turbulentnego.

Wizualna charakterystyka początkowego ruchu cząstek w regularnych podłożach: od warunków laminarnych do turbulentnych

Technika opisana tutaj oferuje tanią i stosunkowo prostą metodę jednoczesnego pomiaru kinematyki cząstek i turbulencji w przepływach o niskich stężeniach cząstek. Turbulencje są mierzone za pomocą prędkości obrazu cząstek (PIV), a kinematyka cząstek jest obliczana na podstawie obrazów uzyskanych za pomocą szybkiej kamery w nakładającym się polu widzenia.

Jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego

Ten protokół demonstruje zdolność do wykorzystania reaktywnego druku atramentowego do drukowania samoruchomych, biokompatybilnych i przyjaznych dla środowiska mikromieszadeł do użytku w zastosowaniach biomedycznych i środowiskowych.

Reaktywny druk atramentowy i analiza napędu samobieżnych mikromieszadeł na bazie jedwabiu

Ten protokół przedstawia metodę analizy emisji długopisów do druku 3D. Mierzy się stężenie cząstek i rozkład wielkości cząstek uwolnionych cząstek. Uwolnione cząstki są dalej analizowane za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). Zawartość metalu we włóknach określa się ilościowo za pomocą spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MS).

Druk 3D - ocena emisji cząstek przez pióro do druku 3D

Wykorzystaliśmy chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą do osadzania cienkich warstw o grubości od kilku nm do kilkuset nm na nanocząsteczkach wykonanych z różnych materiałów. Następnie trawimy materiał rdzenia, aby wytworzyć puste w środku nanopowłoki, których przepuszczalność jest kontrolowana przez grubość powłoki. Charakteryzujemy przepuszczalność tych powłok dla małych substancji rozpuszczonych i wykazujemy, że bariery te mogą zapewniać przedłużone uwalnianie materiału rdzenia...

Charakterystyka enkapsulacji i przepuszczalności pustych cząstek polimeryzowanych w plazmie

Ten artykuł demonstruje eksperymentalną procedurę pomiaru końcowych prędkości osiadania sferycznych cząstek w płynach lepkosprężystych na bazie surfaktantów rozrzedzanych ścinaniem. Przygotowywane są płyny o szerokim zakresie właściwości reologicznych i mierzone są prędkości osiadania dla różnych rozmiarów cząstek w płynach nieograniczonych i płynach między równoległymi ściankami.

Eksperymentalny pomiar prędkości osiadania cząstek sferycznych w nieograniczonych i ograniczonych płynach lepkosprężystych na bazie środków powierzchniowo czynnych rozrzedzających ścinanie

Urządzenia akustofluidyczne wykorzystują fale ultradźwiękowe w kanałach mikroprzepływowych do manipulowania, koncentracji i izolowania zawieszonych mikro i nanoskopowych jednostek. Protokół ten opisuje produkcję i działanie takiego urządzenia obsługującego masowe akustyczne fale stojące w celu skupienia cząstek w centralnym strumieniu bez pomocy płynów osłonowych.

Wytwarzanie i eksploatacja urządzeń akustyczno-przepływowych wspomagających masowe akustyczne fale stojące do bezosłonowego ogniskowania cząstek

Skaner do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach płaskich został opracowany przy użyciu techniki detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości planarnej. Reakcja produktu intermodulacji magnetycznej na nieliniowe niehisteretyczne namagnesowanie cząstek jest rejestrowana po wzbudzeniu dwuczęstotliwościowym. Może być używany do wykonywania obrazów 2D cienkich próbek biologicznych.

Skaner detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach planarnych

Ten artykuł przedstawia oparte na impedancji urządzenie do wykrywania szybkości parowania roztworów. Oferuje wyraźne zalety w porównaniu z konwencjonalnym podejściem do odchudzania: szybka reakcja, wykrywanie o wysokiej czułości, wymóg małej próbki, wielokrotne pomiary próbek i łatwy demontaż w celu czyszczenia i ponownego użycia.

Wysokowydajna platforma oparta na impedancji do wykrywania szybkości parowania

Poznaj metodę pomiaru orientacji i rotacji cząstek drukowanych 3D w turbulencji przy użyciu stereoskopowego obrazowania wideo. Technika ta umożliwia precyzyjne badanie dynamiki płynów złożonych kształtów.

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

Przeglądaj więcej filmów