Trójwymiarowa prędkość śledzenia cząstek do zastosowań turbulencyjnych: przypadek przepływu strumieniowego

Celem tego eksperymentu jest stworzenie i optymalizacja systemu prędkości śledzenia cząstek do zastosowań turbulencyjnych i wykorzystanie go do badania przepływu strumienia. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w polu turbulencji za pomocą lagranżowskiego opisu przepływu. Główną zaletą tej techniki jest możliwość śledzenia dużego zestawu cząstek w czasie i przestrzeni.

Chociaż ta metoda może zapewnić wgląd w turbulencje i lagrange'owski układ odniesienia, może być zastosowana do innych zastosowań, takich jak przechwytywanie ruchu lub śledzenie ruchu. Zestaw do tego eksperymentu służy do badania pośredniego pola przepływu strumienia rurowego. Ten zbiornik wypełniony wodą ma w sobie koryto, który tworzy strumień o średnicy jednego centymetra.

Ten schemat zawiera przegląd konfiguracji przed dodaniem sprzętu do trójwymiarowej prędkości śledzenia cząstek. Aby przygotować się do śledzenia cząstek, zidentyfikuj obszar badania, objętość przesłuchania. W tym eksperymencie jest to sześcian, którego ściany są równoległe do ścian o większej objętości, a najbliższy punkt znajduje się 15 centymetrów od końca koryta.

Po wybraniu objętości przesłuchania zacznij od ustawienia zwierciadła głównego. Lustro ma kształt piramidy i jest zamontowane na pionowym słupku montażowym wzdłuż boku zbiornika doświadczalnego. Przesuń lustro wzdłuż słupka, aby wyrównać je ze środkiem objętości przesłuchania, a następnie zamocuj je na miejscu.

Następnie zamontuj kamerę za zwierciadłem głównym. Ustaw środek obrazu z kamery tak, aby pokrywał się ze środkiem zwierciadła głównego. Teraz przejdź do komputera, aby sprawdzić jego połączenie z kamerą.

Kontynuuj, konfigurując interfejs między kamerą a oprogramowaniem do nagrywania. Zacznij od widoku z kamery na zwierciadło główne i jego otoczenie. Użyj ustawienia obszaru zainteresowania w oprogramowaniu, aby dostosować szerokość i wysokość widoku kamery tak, aby zakrywał tylko lustro główne.

Następnym krokiem jest umieszczenie w zbiorniku celu kalibracyjnego w celu ustawienia zwierciadeł wtórnych. Ten cel jest specjalnie zaprojektowany, aby objąć cały obszar przesłuchań. Tarcza ma punkty celownicze o średnicy jednego milimetra do kalibracji.

Najpierw umieść w zbiorniku platformę o regulowanej wysokości, aby podeprzeć cel. Ustaw wzorzec kalibracji na platformie i ustaw go tak, aby był skierowany w stronę kamery. Dostosuj wysokość platformy tak, aby dopasować środek obiektu kalibracji do środka objętości kalibracyjnej.

Kontynuuj, wypełniając podział czterech widoków. Dostosuj położenie zwierciadła głównego tak, aby rejestrowało pełną głośność przesłuchania. Lusterka wtórne są zamontowane na pionowych słupkach montażowych po obu stronach zwierciadła głównego.

Zamontuj każde zwierciadło wtórne tak, aby było z grubsza wyrównane z kamerą view z najbliższej strony zwierciadła głównego. Zamocuj lusterko wtórne na miejscu. Ostateczny układ powinien być geometrycznie symetryczny w stosunku do zwierciadła głównego.

Użyj wskaźnika laserowego i skieruj go kolejno na lustro, aby zobrazować ścieżkę obrazu. Dokonaj ostatecznych korekt zwierciadła wtórnego, używając ścieżki wiązki jako przewodnika, tak aby widok obejmował cały obiekt kalibracji. Powtórz wizualizację ścieżki obrazu i dokonaj korekt dla każdego z pozostałych zwierciadeł wtórnych.

Po wyregulowaniu wszystkich lusterek monitoruj obrazy podrzędne widoku z kamery. Na komputerze obserwuj widok obrazów z kamery. W rozdzielaczu widoku przesuń jedno z wtórnych luster w celu zbadania nakładania się obrazów podrzędnych.

Jeśli tylko jeden widok zmienia się wraz z ruchem lustra, nakładanie się jest znikome. Po założeniu czterokierunkowego rozdzielacza wyłącz kamerę i przejdź do pracy z oświetleniem. Umieść źródła światła bezpośrednio skierowane do przestrzeni przesłuchań od góry.

W tym eksperymencie soczewka powiększająca jest umieszczana bezpośrednio pod źródłami światła, aby zwiększyć natężenie światła. Włącz źródła światła i sprawdź wzrokowo, czy światło jest równomiernie rozprowadzane w całej objętości przesłuchania. Rozpocznij optymalizację konfiguracji, wracając do pracy z kamerą.

Dostosuj ostrość obiektywu, aż odbicie przez zwierciadło główne będzie równomiernie skupione we wszystkich czterech widokach zwierciadeł wtórnych. Upewnij się, że obrazy z rozdzielacza widoku są symetryczne i pokazują głośność przesłuchania. Przejdź dalej, aby wyregulować przysłonę, aby móc uchwycić zarówno najbliższy, jak i najdalszy punkt na obiekcie kalibracji.

Kamera wychwyci tylko cząstki smugowe w przestrzeni przesłuchania. W tym momencie przejdź do oprogramowania do nagrywania. Ustaw żądaną liczbę klatek na sekundę.

W tym eksperymencie użyto 550 Hz. Następnie zmaksymalizuj czułość na światło zgodnie z wybraną liczbą klatek na sekundę. Teraz przygotuj się do wykonania obrazów kalibracyjnych obiektu kalibracji.

Przymocuj latarkę LED do zbiornika bezpośrednio nad celem, aby uzyskać oświetlenie. Uchwyć kilka obrazów celu za pomocą rozdzielacza czterech widoków, aby uzyskać późniejsze kroki kalibracji. Po zakończeniu usuń tarczę kalibracyjną, jej podstawkę i światło, aby rozpocząć regulację oświetlenia.

Przygotuj niewielką ilość cząstek wysiewu w celu optymalizacji oświetlenia. Weź małą zlewkę zawierającą wodę i dodaj do niej cząstki wysiewu. Poczekaj, aż cząsteczki dyfundują.

Cząstki są pustymi kulkami ceramicznymi pokrytymi srebrem o średnicy 100 mikrometrów. Wlej mieszaninę do zbiornika, aby pomóc w optymalizacji oświetlenia i ustawień kamery. Kontynuuj przy wyłączonych światłach w pomieszczeniu i włączonych źródłach światła.

Na komputerze monitoruj widok z kamery na żywo zwierciadła głównego i sprawdź oświetlenie w każdym widoku, obserwując różnicę gęstości cząstek między widokami. Geometria w tym eksperymencie powoduje, że dwa górne lustra otrzymują mniej światła. Podczas konfiguracji zaradzij temu, dodając płaskie lustro poniżej źródła światła na dnie zbiornika.

Pod źródłami światła ten dodatek pomaga zmniejszyć zmienność w całym widoku. W aparacie dostosuj poziomy wzmocnienia i czerni, każdy w zakresie od około zera do 500. Celem jest lepsze wychwytywanie światła rozproszonego od cząstek.

W tej sekwencji porównywane są trzy zdjęcia wykorzystujące różne poziomy wzmocnienia i czerni. W tym eksperymencie użyto ustawienia wzmocnienia 300 i ustawienia czerni 500. Wyłącz źródła światła i włącz oświetlenie pomieszczenia.

Na komputerze otwórz oprogramowanie do śledzenia prędkości śledzenia cząstek. Chodzi o to, aby załadować jeden z wykonanych wcześniej obrazów kalibracyjnych. Użyj oprogramowania, aby podzielić ten obraz na cztery niezależne obrazy cząstkowe, które odpowiadają różnym widokom zwierciadła wtórnego.

Zapisz każdy z tych obrazów podrzędnych w innym pliku. Każdy obraz zostanie wykorzystany tak, jakby pochodził z osobnej kamery. Kontynuuj kroki kalibracji, korzystając z danych współrzędnych i kroków dla wielu kamer.

Przygotuj się do zbierania danych, włączając źródła światła prędkościomierza. Następnie weź cząstki wysiewu i dodaj je do zbiornika. Poczekaj, aż w systemie rozwinie się przepływ w stanie ustalonym.

Przy wyłączonych światłach w pomieszczeniu monitoruj widok z kamery, aby zweryfikować prawidłową gęstość wysiewu cząstek, jak na tym spowolnionym filmie przepływu strumienia. Gdy będziesz zadowolony, zapisz żądaną liczbę obrazów przepływu. Po zebraniu danych rozpocznij przetwarzanie danych poprzez podzielenie zebranych obrazów na cztery podobrazy i zapisanie ich.

Po wykonaniu tej czynności pojawi się otwarty ekran PTV z opcjami menu u góry i wyświetlaczem dla różnych widoków kamery po prawej stronie. Przejdź do zakładki Start w pozycjach menu i kliknij, aby wyświetlić opcje. Kliknij przycisk Uruchom ponownie obraz, aby załadować do danych cztery widoki pierwszego obrazu RAW z kamery.

Przesuń kursor myszy do katalogu uruchamiania i kliknij na niego. W tym miejscu kliknij główne parametry. W nowym oknie przejdź do zakładki Ogólne.

Wprowadź liczbę kamer, w tym przypadku cztery. Kontynuuj wprowadzanie parametrów w innych zakładkach. Po zakończeniu przesuń mysz, aby kliknąć pozycję menu przetwarzania wstępnego.

Tam kliknij filtr górnoprzepustowy. Rezultatem jest intensyfikacja rozpraszania światła na czterech obrazach. Również w pozycji menu przetwarzania wstępnego znajdź i kliknij wykrywanie cząstek, aby określić środek ciężkości każdej wykrytej cząstki.

Następnie ponownie w pozycji menu przetwarzania wstępnego kliknij pozycję Korespondencje, aby ustanowić korespondencje stereoskopowe. Następnie przejdź do pozycji menu Pozycje 3D. Pod nim wybierz pozycje 3D, aby określić trójwymiarowe położenie wykrytych cząstek na podstawie kalibracji.

W pozycji menu sekwencji znajdź i kliknij sekwencję bez wyświetlania, aby powtórzyć kroki wstępnego przetwarzania dla wszystkich zebranych sekwencji obrazów. Teraz wprowadź parametry, które mają być używane do identyfikacji cząstek do śledzenia. Kontynuuj, wybierając pozycję menu śledzenia.

Stamtąd wybierz śledzenie bez wyświetlania, aby skorelować sąsiednie klatki. I wybierz wykryte cząstki, aby zwizualizować zrekonstruowane cząstki 3D. Po zakończeniu śledzenia przejdź do pozycji menu śledzenia i wybierz ją.

Kliknij opcję pokaż trajektorie, aby wyświetlić trajektorie w każdym widoku z kamery. Każdy z widoków z kamery ma teraz przedstawione trajektorie cząstek. Dodatkowo utworzono plik danych do przetwarzania końcowego.

Jest to próbka trzech reprezentatywnych trajektorii cząstek w pośrednim obszarze pola wokół płaszczyzny przy 16-krotności średnicy strumienia rury. Gdy odległość od jądra dżetu jest niewielka, obserwuje się dłuższe trajektorie w jednosekundowym przedziale czasowym tych danych. Wraz ze wzrostem odległości od jądra dżetu, długość trajektorii maleje.

Przy trzykrotnie większej średnicy strumienia rury, cząstki znacznikowe wykazują krótkie i złożone trajektorie. Oto wszystkie pomyślnie zrekonstruowane trajektorie cząstek, które przecinają tę samą płaszczyznę. Rozkład prędkości waha się od zera do 60% prędkości wylotowej dżetu.

Niskie prędkości znajdują się w niebieskim zakresie widma, a wysokie prędkości w zakresie czerwonym. Analiza pokazuje, że cząstki w pobliżu jądra odrzutowca wykazują łagodniejsze trajektorie. Śledzenie cząstek umożliwia obliczenie krzywizny wzdłuż trajektorii cząstek.

Jest to wykres średniej krzywizny pomnożonej przez średnicę strumienia rury w funkcji wyskalowanej odległości promieniowej dla dwóch płaszczyzn. Jeden przy 16, a drugi przy 17 średnicach strumienia rur. Oba rosną monotonicznie, ale płaszczyzna znajdująca się dalej od wylotu rury ma zmniejszoną średnią krzywiznę na zewnątrz rdzenia strumienia.

Wykres ten dostarcza informacji na temat średniego rozkładu prędkości strumienia w strumieniu w 16 średnicach rur samolotu poza wylotem rury. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu sześciu godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo, z wyłączeniem czasu przetwarzania za pomocą oprogramowania. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o równomiernym oświetleniu, prawidłowych ustawieniach kamery i wystarczającej ilości cząstek wysiewu.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak skonfigurować rozdzielacz widoku, zmontować źródło światła, kontrolować parametry kamery i zoptymalizować system PTV. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się turbulencjami do zbadania eksperymentalnych badań nad dynamiką przepływu Lagrange'a.