Name: Jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: Poznaj metodę jednoczesnego pomiaru turbulencji i kinematyki cząstek w przepływach o niskim stężeniu. Technika PIV i obrazowanie wysokiej prędkości umożliwiają szczegółową analizę zachowania się osadów w środowiskach turbulentnych.

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

Część tej pracy była wspierana przez Fundację II-VI oraz Coastal Carolina Professional Enhancement Grant. Chcielibyśmy również podziękować Corrine Jacobs, Markowi Jendrassakowi i Williamowi Merchantowi za pomoc w przygotowaniu eksperymentalnej konfiguracji.

<ol><li>Maxey, M. R. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/gravitational-settling-of-aerosol-particles-in-homogeneous-turbulence-and-random-flow-fields/2B97656A8ACDA551DCDE27AD7BA8B803">The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields.</a> Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).</li>
<li>Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. <a target="_blank" href="https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/settling-regimes-of-inertial-particles-in-isotropic-turbulence/522507173B16D8A91F7A911582628E9A">Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence.</a> Journal of Fluid Mechanics. 759, R3(2014).</li>
<li>Ha, H. K., Maa, J. P. Y. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s12303-010-0016-2">Effects of suspended sediment concentration and turbulence on settling velocity of cohesive sediment.</a> Geosciences Journal. 14 (2), 163-171 (2010).</li>
<li>Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRaffel%2C+M+%22Particle+image+velocimetry%3A+A+practical+guide%22">Particle image velocimetry: A practical guide</a>. , Springer. (2007).</li>
<li>Lu, L., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+particle+image+velocimetry+near+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">High-speed particle image velocimetry near surfaces.</a> Journal of Visualized Experiments. 76, e50559(2013).</li>
<li>Yang, T. S., Shy, S. S. <a target="_blank" href="https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1557526">The settling velocity of heavy particles in an aqueous near-isotropic turbulence.</a> Physics of Fluids. 15 (4), 868-880 (2003).</li>
<li>Jacobs, C. N., Merchant, W., Jendrassak, M., Limpasuvan, V., Gurka, R., Hackett, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flow+scales+of+influence+on+the+settling+velocities+of+particles+with+varying+characteristics%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Flow scales of influence on the settling velocities of particles with varying characteristics.</a> PLoS One. 11 (8), 0159645(2016).</li>
<li>Murray, S. P. <a target="_blank" href="https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/JC075i009p01647">Settling velocities and vertical diffusion of particles in turbulent water.</a> Journal of Geophysical Research. 75 (9), 1647-1654 (1970).</li>
<li>Nielsen, P. <a target="_blank" href="https://pubs.geoscienceworld.org/sepm/jsedres/article-abstract/63/5/835/98482/turbulence-effects-on-the-settling-of-suspended">Turbulence effects on the settling of suspended particles.</a> Journal of Sedimentary Research. 63 (5), 835-838 (1993).</li>
<li>Kawanisi, K., Shiozaki, R. <a target="_blank" href="https://ascelibrary.org/doi/10.1061/%28ASCE%290733-9429%282008%29134%3A2%28261%29">Turbulent effects on the settling velocity of suspended sediment.</a> Journal of Hydraulic Engineering. 134 (2), 261-266 (2008).</li>
<li>Maxey, M. R., Corrsin, S. <a target="_blank" href="https://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0469%281986%29043%3C1112%3AGSOAPI%3E2.0.CO%3B2">Gravitational settling of aerosol particles in randomly oriented cellular flow fields.</a> Journal of the Atmospheric Sciences. 43, 1112-1134 (1986).</li>
<li>Melling, A. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/8/12/005/meta">Tracer particles and seeding for particle image velocimetry.</a> Measurement Science and Technology. 8 (12), 1406-1416 (1997).</li>
<li>Hadad, T., Gurka, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0894177712003135">Effects of particle size, concentration and surface coating on turbulent flow properties obtained using PIV/PTV.</a> Experimental Thermal and Fluid Science. 45, 203-212 (2013).</li>
<li>Adrian, R. J. <a target="_blank" href="https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.fl.23.010191.001401">Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).</li>
<li>Shy, S. S., Tang, C. Y., Fann, S. Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0894177796001112">A nearly isotropic turbulence generated by a pair of vibrating grids.</a> Experimental Thermal and Fluid Science. 14 (3), 251-262 (1997).</li>
<li>Dietrich, W. E. <a target="_blank" href="https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/WR018i006p01615">Settling velocity of natural particles.</a> Water Resources Research. 18 (6), 1615-1626 (1982).</li>
<li>Huang, H., Dabiri, D., Gharib, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/8/12/007/meta">On errors of digital particle image velocimetry.</a> Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427(1997).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Opisana tutaj metoda jest stosunkowo niedroga i zapewnia prosty sposób jednoczesnego pomiaru trajektorii cząstek i turbulencji w celu zbadania wpływu przepływu na kinematykę cząstek. Warto wspomnieć, że przepływy lub ruchy cząstek, które są silnie trójwymiarowe, nie nadają się do tej techniki. Ruch poza płaszczyzną spowoduje błędy17 zarówno w śledzeniu 2D, jak i w analizie PIV i powinien zostać zminimalizowany. Ponadto metoda wymaga, aby stężenie śledzonych cząstek było stosunkowo niskie (rzędu dz...

Istnieje wiele zastosowań zarówno w dziedzinach naukowych, jak i inżynieryjnych, które obejmują zachowanie cząstek w przepływach turbulentnych, na przykład aerozole w atmosferze, zanieczyszczenia i/lub osady w systemach inżynieryjnych oraz mikroorganizmy morskie lub osady w oceanie1,2,3. W takich zastosowaniach często interesujące jest zrozumienie, w jaki sposób cząstki reagują na turbulencje, co wymaga jednoczesnego pomiaru kinematyki cząstek i dynamiki płynów.
Istniejące technologie pomiaru ruchów cząstek, zwane śledzeniem cząstek (PT), które śledzą trajektorie poszczególnych cząstek, oraz technika statystyczna prędkości obrazów cząstek4,5 (PIV), używane do pomiaru prędkości przepływu, obie zawierają nieinwazyjne techniki optyczne. Głównym wyzwaniem związanym z wykorzystaniem tych nieinwazyjnych technik optycznych do jednoczesnego pomiaru zarówno przepływu, jak i kinematyki cząstek jest oddzielne oświetlenie wymagane dla każdej techniki obrazowania, które nie może zakłócać dokładności pomiaru drugiej (np. źródło oświetlenia do pomiaru kinematyki cząstek nie może działać jako znaczące źródło szumu w pomiarze prędkości płynu i odwrotnie). Kontrast obrazu w obu zestawach obrazów musi być wystarczający, aby uzyskać wiarygodne wyniki. Na przykład obrazy PT są konwertowane na obrazy czarno-białe w celu przeprowadzenia analizy plam w celu określenia pozycji cząstek; W związku z tym niewystarczający kontrast prowadzi do błędów w położeniu cząstek. Słaby kontrast na obrazach PIV oznacza niski stosunek sygnału do szumu, co spowoduje niedokładności w oszacowaniu prędkości płynu.
Tutaj opisana jest stosunkowo tania i prosta metoda jednoczesnego pomiaru kinematyki cząstek i prędkości przepływu. Dzięki zastosowaniu monochromatycznego światła liniowego z diodą elektroluminescencyjną (LED) o dużej mocy, gdzie linia odnosi się do apertury światła, oraz dwugłowicowego lasera o wysokiej intensywności, zarówno interesujące cząstki, jak i pole przepływu są jednocześnie obrazowane w tym samym obszarze. Wysoka moc diody LED jest wystarczająca do obrazowania (śledzonych) cząstek przez szybką kamerę, ale nie wpływa na obrazy PIV, ponieważ natężenie światła rozproszonego przez znaczniki PIV jest zbyt niskie. Gdy dwugłowicowy laser o wysokiej intensywności oświetla pole przepływu dla obrazów PIV, dzieje się to w krótkim odstępie czasu, a obrazy te są łatwo identyfikowane i usuwane z szeregów czasowych uzyskanych przez szybką kamerę PT po ich zarejestrowaniu. Impulsy laserowe PIV rejestrowane w szeregach czasowych obrazu o dużej prędkości (używanego do śledzenia cząstek) można zminimalizować, nie uruchamiając obu systemów z szybkością akwizycji klatek, która jest do siebie proporcjonalna. W bardziej zaawansowanych konfiguracjach można było zewnętrznie wyzwolić kamery PT i PIV z opóźnieniem, które zapewni, że tak się nie stanie. Wreszcie, dzięki starannemu rozważeniu ilości cząstek śledzonych w polu widzenia PIV (FOV), wszelkie błędy wprowadzone przez te śledzone cząstki w analizie korelacji obrazów PIV są już uwzględniane w ogólnym oszacowaniu błędu, w tym błędy związane z niejednorodnym rozkładem wielkości znaczników PIV w oknie przesłuchania. Zdecydowana większość znaczników wysiewu PIV podąża za przepływem, co pozwala na dokładne oszacowanie prędkości przepływu. Techniki te umożliwiają jednoczesny bezpośredni pomiar zarówno kinematyki cząstek, jak i pola przepływu w płaszczyźnie dwuwymiarowej.
Ta technika jest demonstrowana poprzez zastosowanie jej do określenia charakterystyki osiadania cząstek w przepływie turbulentnym, podobnie jak ta używana w badaniach przez Yanga i Shy6 oraz Jacobs et al.7. Osiadanie cząstek to końcowy etap transportu osadów, który zazwyczaj składa się z zawieszenia, transportu i osiadania osadu. W większości wcześniejszych badań, które dotyczyły osadzania się cząstek w przepływach turbulentnych, trajektorie cząstek lub prędkości turbulentne nie są mierzone bezpośrednio, ale wnioskowane teoretycznie lub modelowane8,9,10. Szczegóły dotyczące interakcji między cząstkami a turbulencjami były najczęściej badane przy użyciu modeli teoretycznych i numerycznych ze względu na eksperymentalne ograniczenia w pomiarze obu tych elementów jednocześnie6,11. Przedstawiamy studium przypadku interakcji cząstka-turbulencja w obiekcie z siatką oscylacyjną, gdzie badamy prędkość osiadania cząstek i ich sprzężenie z turbulencjami. Dla jasności, w dalszej części będziemy odnosić się do badanych cząstek jako "cząstek", a cząstek zasiewających stosowanych w technice PIV jako do "znaczników"; dodatkowo kamerę używaną do szybkiego obrazowania trajektorii cząstek będziemy nazywać "śledzeniem cząstek", "PT" lub "szybką" kamerą, która mierzy "szybkie obrazy", a kamerę używaną do metody PIV "kamerą PIV", która mierzy "obrazy". Opisana w niniejszym dokumencie metoda umożliwia jednoczesny pomiar kinematyki cząstek i dynamiki płynów w określonym wcześniej polu zainteresowania w obiekcie. Uzyskane dane dostarczają dwuwymiarowego opisu oddziaływania cząstka-turbulencja.

<table><tbody><tr><td>Soczewki optyczne</td><td>CVI LASER OPTICS</td><td>Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV</td><td>Inne firmy optyczne są dopuszczalne. Soczewki sferyczne i cyklindryczne do generowania arkusza świetlnego PIV.</td></tr><tr><td>Obiektyw aparatu do PIV</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2D</td><td>Inne firmy obiektywów do aparatów są dopuszczalne. Obiektyw kamery do obrazowania PIV.</td></tr><tr><td>Obiektyw aparatu do szybkiego</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 50mm f/1.8D</td><td>Inne firmy obiektywów do aparatów są dopuszczalne. Obiektyw aparatu do szybkiego obrazowania.</td></tr><tr><td>Dwugłowicowy laser impulsowy</td><td>Quantel</td><td>EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz</td><td>Inne firmy laserowe są dopuszczalne. Dwugłowicowy laser impulsowy do lampy liniowej PIV: Nd:YAG</td></tr><tr><td>LED</td><td>Gardasoft Vision, Ltd.</td><td>Oświetlenie liniowe LED VLX2 - zielone - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04</td><td>Inne firmy są dopuszczalne. Światło liniowe do diod LED.</td></tr><tr><td>Cząstki wysiewu PIV / znaczniki</td><td>Potters Industries</td><td>SPHERICAL Hollow Glass Spheres: średnia średnica 11 mm</td><td>Inne firmy są dopuszczalne. PIV wysiewanie cząstek</td></tr><tr><td>Kamera korelacji krzyżowej CCD</td><td>TSI, Inc.</td><td>POWERVIEW 11M: CCD, Podwójna ekspozycja, 4008x2672 pikseli @ 4.2 Hz z 12-bitowym zakresem dynmiki</td><td>Inne firmy są dopuszczalne. Kamera CCD z podwójną ekspozycją do obrazowania PIV.</td></tr><tr><td>Kamera szybkoobrotowa</td><td>Photron</td><td>FASTCAM SA3; Model 60K: 1024x1024 pikseli @ 1kHz</td><td>Inne firmy są dopuszczalne. Kamera CMOS do szybkiego obrazowania.</td></tr><tr><td>Synchronizator</td><td>TSI, Inc.</td><td>SYNCHRONIZATOR LASERPULSE 610036</td><td>Inne firmy są dopuszczalne. Zsynchronizuj akwizycję kamery PIV i lasera.</td></tr><tr><td>Cel kalibracji</td><td>TSI, Inc.</td><td></td><td>Inne firmy są dopuszczalne. Precyzyjny wzorzec do kalibracji obrazu.</td></tr></tbody></table>

jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Liczne problemy w dziedzinach nauki i inżynierii dotyczą zrozumienia kinematyki cząstek w przepływach turbulentnych, takich jak zanieczyszczenia, mikroorganizmy morskie i/lub osady w oceanie, czy reaktory ze złożem fluidalnym i procesy spalania w systemach inżynieryjnych. W celu zbadania wpływu turbulencji na kinematykę cząstek w takich przepływach wymagane są równoczesne pomiary zarówno przepływu, jak i kinematyki cząstek. Istnieją nieinwazyjne, optyczne techniki pomiaru przepływu do pomiaru turbulencji lub śledzenia cząstek, ale jednoczesny pomiar obu tych technik może być trudny ze względu na zakłócenia między tymi technikami. Przedstawiona w niniejszym artykule metoda zapewnia tanią i stosunkowo prostą metodę jednoczesnych pomiarów przepływu i kinematyki cząstek. Przekrój poprzeczny przepływu jest mierzony za pomocą techniki pomiaru prędkości obrazu cząstek (PIV), która zapewnia dwie składowe prędkości w płaszczyźnie pomiarowej. Technika ta wykorzystuje laser impulsowy do oświetlania pola przepływu zasianego, które jest obrazowane przez kamerę cyfrową. Kinematyka cząstek jest jednocześnie obrazowana za pomocą diody elektroluminescencyjnej (LED), która oświetla płaski przekrój poprzeczny przepływu, który nakłada się na pole widzenia PIV (FOV). Światło liniowe ma na tyle niską moc, że nie wpływa na pomiary PIV, ale jest wystarczająco mocne, aby oświetlić większe cząstki będące przedmiotem zainteresowania sfotografowane za pomocą szybkiej kamery. Szybkie obrazy, które zawierają impulsy laserowe z techniki PIV, można łatwo filtrować, badając zsumowany poziom intensywności każdego szybkiego obrazu. Dzięki temu, że liczba klatek na sekundę kamery o dużej szybkości jest niewspółmierna do liczby klatek na sekundę kamery PIV, można zminimalizować liczbę zanieczyszczonych klatek w szybkich szeregach czasowych. Technika ta jest odpowiednia dla średnich przepływów, które są przeważnie dwuwymiarowe, zawierają cząstki o średnicy co najmniej 5 razy większej niż średnia średnica znaczników wysiewu PIV i mają niskie stężenie.

Schemat układu eksperymentalnego przedstawiono na Ryc. 1. Rysunek ukazuje rozmieszczenie płaszczyzn światła (LED i laser), nakładanie się pól widzenia (FOV) oraz pozycję FOV względem oscylującej kraty i ścian zbiornika. Turbulencje i cząstki są mierzone jednocześnie, zgodnie z opisem w sekcji protokołu. Ryc. 2 przedstawia przykładowe wyniki pomiarów chwilowej prędkości i wirowości wraz z przykładowymi trajektoriami cząstek. Wynik...

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

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

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.

simultaneous-measurement-turbulence-particle-kinematics-using-flow

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Niniejszy protokół zawiera instrukcje dotyczące obsługi autonomicznego urządzenia do pomiaru prędkości przepływu pod wodą (SCUVA), które zostało zaprojektowane do kwantyfikacji przepływów generowanych przez zwierzęta in situ. Ponadto protokół ten odnosi się do wyzwań wynikających z warunków terenowych, w tym do ruchów operatora, przewidywania pozycji zwierząt oraz orientacji urządzenia SCUVA.

Ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu autonomicznego urządzenia do podwodnej welocymetrii (SCUVA)

Przedstawiono technikę wykonywania ilościowego obrazowania trójwymiarowego (3D) dla różnych rodzajów przepływów płynów. Wykorzystując koncepcje z zakresu obrazowania pola światła (Light Field Imaging), rekonstruujemy objętości 3D z zestawów obrazów. Nasze wyniki 3D obejmują szeroki zakres danych, w tym pola prędkości oraz wielofazowe rozkłady wielkości pęcherzyków.

Wyznaczanie trójwymiarowych pól przepływu za pomocą wielokamerowego obrazowania pola światła

Prędkość obrazowania mikrocząstek (μPIV) służy do wizualizacji sparowanych obrazów mikrocząstek zasianych w przepływie krwi, które są skorelowane krzyżowo, aby uzyskać dokładny profil prędkości.  Na podstawie tych pomiarów można uzyskać szybkość ścinania, prędkość maksymalną, kształt profilu prędkości i natężenie przepływu, z których każdy ma zastosowania kliniczne.

Obrazowa prędkość mikrocząstek do pomiarów profilu prędkości mikroprzepływów krwi

W tym filmie najpierw opisujemy procedury produkcji i obsługi akustycznego urządzenia przeciwprądowego powierzchniowej fali akustycznej (SAW). Następnie demonstrujemy eksperymentalną konfigurację, która pozwala zarówno na jakościową wizualizację przepływu, jak i analizę ilościową złożonych przepływów w urządzeniu pompującym SAW.

Wytwarzanie, eksploatacja i wizualizacja przepływu w mikrofluidyce akustyczno-przeciwprądowej opartej na powierzchniowych falach akustycznych

Procedura badania przepływów przejściowych w pobliżu granic za pomocą wysokiej rozdzielczości, szybkiej prędkości obrazowania cząstek (PIV) jest opisana tutaj. PIV to nieinwazyjna technika pomiarowa mająca zastosowanie do każdego optycznie dostępnego przepływu poprzez optymalizację kilku ograniczeń parametrów, takich jak właściwości obrazu i zapisu, właściwości arkusza laserowego i algorytmy analizy.

Szybkie obrazowanie cząstek w pobliżu powierzchni

Mikroskopia konfokalna służy do obrazowania spoczynkowych i przepływających mieszanin koloidowo-polimerowych, które są badane jako układy modelowe dla atrakcyjnych zawiesin. Algorytmy analizy obrazu służą do obliczania wskaźników strukturalnych i dynamicznych dla cząstek koloidalnych, które mierzą zmiany spowodowane ograniczeniem geometrycznym.

Obrazowanie konfokalne ograniczonych mieszanin koloidalno-polimerowych w stanie spoczynku i przepływu

Biofilmy mają złożone interakcje z otaczającym je środowiskiem. Aby kompleksowo zbadać interakcje biofilm - środowisko, przedstawiamy tutaj szereg metod tworzenia heterogenicznego środowiska chemicznego do rozwoju biofilmu, ilościowego określania lokalnej prędkości przepływu oraz analizy transportu masowego w koloniach biofilmu i wokół nich.

Metody charakteryzowania współrozwoju biofilmu i heterogeniczności siedlisk

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

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

Tutaj prezentujemy protokół obserwacji niestabilnych przepływów wirowych nad skrzydłem delta za pomocą zmodyfikowanej techniki wizualizacji przepływu dymu i badamy mechanizm odpowiedzialny za oscylacje czołowych miejsc załamania wirów.

Eksperymentalne badanie struktury przepływu nad skrzydłem delta za pomocą metod wizualizacji przepływu

Poznaj metodę jednoczesnego pomiaru turbulencji i kinematyki cząstek w przepływach o niskim stężeniu. Technika PIV i obrazowanie wysokiej prędkości umożliwiają szczegółową analizę zachowania się osadów w środowiskach turbulentnych.

Jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego

Przeglądaj więcej filmów