Jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego

Wiele dziedzin zarówno w inżynierii, jak i naukach przyrodniczych wiąże się z problemami związanymi z oddziaływaniem cząstek płynu. Metoda ta zapewnia stosunkowo tani, nieinwazyjny jednoczesny pomiar optyczny zarówno trajektorii cząstek, jak i prędkości przepływu. Tutaj mierzymy prędkości osiadania cząstek osadu w przepływie turbulentnym, umożliwiając szczegółową charakterystykę trajektorii cząstek przy jednoczesnym pomiarze prędkości turbulentnych w tym samym miejscu.

Aby rozpocząć konfigurację prędkości obrazu cząstek, zamocuj dwugłowicowy laser impulsowy o wysokiej intensywności poziomo na płycie optycznej, zgodnie z urządzeniem przepływowym. Umieść cylindryczną soczewkę w jednej linii z laserem, aby wytworzyć płaszczyznę światła 2D, która będzie znajdować się poniżej siatki oscylacyjnej. Następnie zamontuj soczewkę sferyczną za soczewką cylindryczną w odległości, która wygeneruje arkusz światła o grubości od 5 do jednego milimetra.

Następnie umieść kamerę CCD o podwójnej ekspozycji prostopadle do arkusza światła, aby rejestrować obrazy dla PIV. Podłącz obiektyw do aparatu, włącz go i ustaw w trybie swobodnym i ciągłym. Zgrubnie ustaw ostrość kamery PIV na obiekcie z przepływem turbulentnym.

Dostosuj przysłonę i pozycję aparatu, aż obraz będzie mniejszy lub zbliżony do żądanych granic arkusza światła. Następnie wyłącz aparat i włącz laser o niskiej intensywności. Upewnij się, że arkusz świetlny jest prostopadły do podłogi, a następnie umieść cel kalibracji oznaczony siatką dokładnie na środku arkusza świetlnego.

Konieczne jest upewnienie się, że kamera PIV jest prostopadła do arkusza świetlnego i aby arkusz świetlny był prostopadły do podłogi lub dna obiektu. Niewspółosiowość powoduje nieprawidłowe projekcje prędkości, a tym samym błąd prędkości płynu. Wyłącz laser i ponownie włącz aparat.

Ustaw ostrość aparatu na obiekcie kalibracji i uchwyć pojedynczy obraz. Otwórz obraz w oprogramowaniu do przetwarzania obrazu i upewnij się, że odstępy między wierszami, wysokością i kolumnami są spójne w całym obiekcie docelowym. Rozmiary znaczników narożnych powinny różnić się o nie więcej niż jeden piksel, a najlepiej, aby były identyczne.

Jeśli obraz spełnia te kryteria, usuń wzorzec kalibracji. Zainstaluj siatkę i uruchom obiekt. Następnie wprowadź do płynu około łyżki stołowej wypełnionej cząstkami znacznika PIV.

Poczekaj, aż znaczniki i płyn dobrze się wymieszają, zanim przejdziesz dalej. Następnie włącz laser i ustaw go na sterowanie zewnętrzne i dużą moc. Wyłącz światła w pomieszczeniu i uchwyć parę obrazów, aby ocenić gęstość znacznika.

Stopniowo zwiększaj stężenie znacznika przez pełne łyżeczki do pożądanej gęstości wizualnej. Następnie ustaw liczbę klatek na sekundę kamery PIV na najwyższą możliwą wartość i ustaw czas pomiędzy kolejnymi obrazami PIV. Upewnij się, że laser jest odpowiednio skonfigurowany.

Następnie wyłącz światła i zbieraj dane w trybie swobodnym przez kilka sekund. Skoreluj krzyżowo pary obrazów i potwierdź, że uzyskane dane są dobrej jakości. Zatrzymaj oscylację siatki po zakończeniu.

Aby rozpocząć konfigurowanie śledzenia cząstek 2D, umieść monochromatyczną linię LED pod siatką oscylacyjną, tak aby arkusz świetlny był wyśrodkowany w linii LED. Włącz światło liniowe LED i laser na niską moc. Upewnij się, że arkusz świetlny i światło linii są dobrze wyrównane, a następnie wyłącz je.

Następnie podłącz obiektyw do szybkiej kamery CMOS, aby użyć go do śledzenia cząstek. Włącz aparat w trybie swobodnym, ciągłym lub na żywo i z grubsza ustaw ostrość na obszarze zainteresowania. Dostosuj wysokość i odległość przysłony kamery śledzącej cząstki, aż obszar zainteresowania znajdzie się w swoim polu widzenia, a kamera będzie wypoziomowana i prostopadła do światła liniowego.

Wyłącz aparat. Włącz lampkę linii i umieść cel kalibracji na środku lampki liniowej. Następnie wyłącz światło linii, włącz aparat i ustaw go na celu.

Uchwyć obraz wzorca kalibracji i upewnij się, że kamera śledząca cząstki jest wypoziomowana, prostopadła do celu i wyostrzona, bez zniekształceń obrazu na krawędziach. Następnie usuń wzorzec kalibracji. Następnie ustaw liczbę obrazów o dużej szybkości, które mają zostać zebrane.

Na podstawie oczekiwanej prędkości cząstek ustaw liczbę klatek na sekundę i rozdzielczość na wartości, które powinny osiągnąć przemieszczenie cząstek między obrazami od trzech do 10 pikseli. Zainstaluj siatkę, włącz światło linii LED i zaciemnij pomieszczenie. Rozpocznij oscylację siatki i wprowadź do przepływu niewielką część interesujących nas cząstek.

Gdy cząsteczki pojawią się na szybkiej kamerze, uchwyć kilka klatek. Ważne jest, aby ślady cząstek były wyraźnie widoczne na obrazach, co wskazuje, że cząstki pozostają w płaszczyźnie i nie nakładają się często na siebie. Niespełnienie tych kryteriów będzie skutkowało brakiem możliwości dokładnego śledzenia cząstek.

Upewnij się, że nie ma widocznych efektów wejścia, nakładanie się cząstek jest rzadkie, a ruch cząstek odbywa się głównie w płaszczyźnie. Zatrzymaj oscylację po zakończeniu. Aby rozpocząć końcową kalibrację, przy przyciemnionych światłach umieść cel kalibracji w arkuszach światła LED i laserowego.

Wyłącz laser i diodę LED i włącz światła w pomieszczeniu. Upewnij się, że wzorzec kalibracji jest ostry w polu widzenia kamery i ma unikalny znacznik widoczny dla obu kamer. Przechwyć obraz wzorca kalibracji na obu kamerach.

Zwróć uwagę na odpowiednie umiejscowienie unikalnego znaku i upewnij się, że kamery są nadal wypoziomowane i nie wykazują zniekształceń na krawędziach. Następnie usuń wzorzec kalibracji, zainstaluj siatkę i rozpocznij oscylację. Pozwól mu pracować przez co najmniej 20 minut, aby przepływ osiągnął stan ustalony.

Następnie zaciemnij pomieszczenie, włącz światło liniowe LED i wprowadź cząstki do przepływu. Jednocześnie uruchom impulsy laserowe i akwizycję obrazu dla obu systemów, gdy cząstki pojawią się w polu widzenia kamery śledzącej cząstki. Po zakończeniu zbierania danych zapisz obrazy i zatrzymaj oscylację siatki.

Przeanalizuj rozkład prędkości przepływu i trajektorie cząstek. Obrazy PIV mogą być przetwarzane na chwilowe rozkłady prędkości płynu i wirowości. W tym miejscu rozkład wektora prędkości płynu jest nałożony na kolorową mapę wirowości.

Przy takim układzie wielkość średniej przestrzennej wahań prędkości płynu średniej kwadratowej w polu widzenia PIV powinna rosnąć wraz z częstotliwością oscylacji zarówno dla składowych prędkości poziomej, jak i pionowej. Trajektorie i prędkości cząstek można wyznaczyć na podstawie obrazów śledzenia cząstek o dużej prędkości. Rozkład prędkości cząstek powinien być w przybliżeniu gaussowski

W tym przypadku większe cząstki o nieregularnych kształtach na ogół wykazywały rozkład prędkości cząstek z większymi odchyleniami standardowymi niż w przypadku mniejszych, sferycznych cząstek. Chociaż oba zestawy cząstek wykazywały rozkłady z większymi średnimi prędkościami pionowymi i większymi odchyleniami standardowymi wraz ze wzrostem szybkości oscylacji siatki. Prędkości osiadania zastoju przepływu cząstek syntetycznych, piasku przemysłowego i piasku lokalnie zebranego, wyznaczone na podstawie trajektorii ich cząstek, wszystkie z grubsza zgadzają się z krzywymi Dietricha.

Tendencja prędkości osiadania cząstek do zwiększania się wraz z częstotliwością oscylacji siatki była dalej badana w późniejszej analizie. Jednoczesny pomiar optyczny zarówno kinetyki cząstek, jak i dynamiki płynów, w szczególności turbulencji, jest trudny ze względu na możliwość interferencji między tymi dwiema technikami obrazowania, co skutkuje niedokładnościami pomiaru. Przepływy, które są silnie trójwymiarowe, nie nadają się dobrze do tej techniki, ponieważ ruchy poza płaszczyzną powodują błędy zarówno w śledzeniu 2D, jak i w analizie prędkości cząstek.

Koncentracja śledzonych cząstek musi być stosunkowo niska, aby zmaksymalizować pewność, że ta sama cząstka jest śledzona na kolejnych obrazach. Ponadto znaczniki PIV i śledzone cząstki muszą mieć wystarczająco różną wielkość, aby można było je odróżnić. Integracja informacji o prędkości przepływu z trajektorią cząstek zależy od tego, co jest badane.

Na przykład metoda ta może również badać prędkości przepływu w określonych momentach w czasie wzdłuż trajektorii cząstki. Technika ta została zademonstrowana w przypadku transportu osadów, co ma zastosowanie w naukach o ruchu, ale jest istotna w wielu zastosowaniach, w których przepływ płynów oddziałuje z naturalnymi lub wytworzonymi przez człowieka cząstkami.