Métodos para medir a orientação e rotação Taxa de partículas em Turbulência 3D-impressos

O objetivo geral deste experimento é usar a impressora 3D para fabricar partículas de uma ampla variedade de formas e medir seu movimento em um fluxo turbulento. Este método pode ajudar a responder a questões-chave na dinâmica dos fluidos, como a forma como as partículas giram e se alinham em fluxos de fluidos turbulentos. Sua principal vantagem é que permite medições precisas resolvidas no tempo das orientações de partículas com formas complexas que não poderiam ser alcançadas com métodos anteriores.

Este método forneceu informações sobre o movimento de discos e esferas em turbulência e pode ser usado para medir a dinâmica de partículas com formas complexas em muitas outras situações. Geralmente, os indivíduos novos neste método terão dificuldades com a calibração da câmera 3D e a adaptação do algoritmo de localização de orientação a partículas específicas específicas que estão sendo usadas. Ajudando a demonstrar o procedimento estará Guy Marcus, que realizou os experimentos originais com cruzes e macacos.

Comece usando um software de design assistido por computador para criar modelos de partículas para impressão. Para criar uma tríade usando o AutoCAD, primeiro use o comando circle para desenhar um círculo com o diâmetro de 0,3 milímetros. Em seguida, use o comando extrude para criar um cilindro de três milímetros de comprimento.

Cilindros desse tamanho são os blocos de construção das partículas. Agora use o comando girar e selecione o eixo de rotação ao longo do eixo X e o ângulo de rotação de 90 graus. Ajuste a vista para permitir espaço para trabalhar com outros cilindros.

Em seguida, faça uma cópia do cilindro que será o segundo braço da tríade. No final deste cilindro, aplique o comando girar 3D com o eixo de rotação ao longo do eixo Z. Gire o cilindro 120 graus para a tríade.

Mova o cilindro girado para a posição para formar um braço da tríade. Os centros das extremidades do cilindro devem coincidir. Faça e posicione o terceiro braço da mesma maneira.

Em seguida, gire o objeto para que nenhum cilindro aponte ao longo do acesso vertical ou horizontal. Quando todos os braços estiverem no lugar, selecione-os todos e use o comando union para uni-los em um único objeto. Salve o arquivo em um formato para impressão 3D.

Crie as outras partículas a serem usadas no experimento seguindo etapas semelhantes. Além da tríade, há a cruz feita de dois cilindros ortogonais com um centro comum, o macaco feito de três cilindros mutuamente ortogonais com um centro comum e a tétrade em que os cilindros compartilham uma extremidade comum e estão em ângulos de 109,5 graus um em relação ao outro. Tenha cerca de 10.000 de cada tipo de partícula impressa no modo de alta resolução.

Prepare-se para armazenar as partículas impressas em uma solução na qual elas sejam neutras. Para isso, use uma solução de cloreto de cálcio e aproximadamente 1.600 litros de água na densidade de flutuabilidade neutra. Remova cerca de um litro da solução para armazenar cada tipo de partícula.

Leve o litro de solução para a bancada e comece a trabalhar com as partículas. As partículas usadas neste experimento foram impressas comercialmente. Eles chegam envoltos em resina usada como material de suporte.

Liberte as partículas quebrando suavemente os pedaços grandes em pequenas seções. Trabalhe com cada seção para massageá-la manualmente até que grande parte do excesso de resina saia. Isso facilitará as etapas posteriores.

Para limpar ainda mais as partículas, prepare uma solução de hidróxido de sódio a 10% em massa em um béquer. Em seguida, coloque algumas partículas e o que resta de sua resina no béquer para remover a resina. Mover o copo com a solução para um banho ultra-sónico.

Mantenha as partículas no banho ultrassônico por uma hora inicialmente e depois mais meia hora após o enxágue. Para recuperar as partículas, prepare um segundo copo para receber a solução de hidróxido de sódio do banho e um filtro. Após a conclusão das etapas de limpeza ultrassônica, use luvas para remover o béquer do banho e despeje o conteúdo através do filtro no segundo béquer.

Enxágue as partículas antes de movê-las para a solução de densidade correspondente, onde serão imersas para evitar deformações. São partículas que foram liberadas de sua resina, limpas no banho ultrassônico e agora estão prontas para o tingimento fluorescer sob luz laser verde. Para tingir as partículas, use uma solução de um litro de corante rodamina-B em água e coloque-a em uma placa quente.

Aqueça o corante a 80 graus Celsius para o material desta partícula. Encha frouxamente um pequeno recipiente com partículas de armazenamento. Isso será cerca de 2.500 partículas.

Adicione as partículas à solução de corante e mantenha a temperatura enquanto estão imersas. Após cerca de duas ou três horas, retire a solução e as partículas do fogo. Use uma malha e um recipiente separado para filtrar as partículas da solução.

Tenha cuidado para não danificá-los enquanto estiverem macios com o calor. Em seguida, enxágue as partículas cuidadosamente para remover o excesso de corante. Quando terminar, armazene-os na solução de flutuabilidade neutra até que sejam necessários para o experimento.

O experimento acontecerá em um tanque com câmeras colocadas para registrar as partículas no centro do fluxo. Este esquema fornece uma visão geral da configuração do tanque, que tem uma seção transversal octogonal, grades oscilantes usadas para criar fluxo turbulento, o volume de medição e as posições da câmera. Use um mínimo de quatro câmeras para precisão de medição de orientação.

Cada câmera deve ter pelo menos uma resolução de megapixels a 450 quadros por segundo e estar conectada a um computador dedicado. Posicione as câmeras com ângulos grandes entre duas delas e certifique-se de que todas estejam focadas no volume de medição desejado. Para minimizar a distorção óptica, as portas de visualização são incorporadas ao tanque que são perpendiculares à direção de visualização da câmera.

Em seguida, coloque uma máscara de calibração de imagem no volume de medição do tanque. Isso permitirá a análise dos dados experimentais coletados pelas câmeras. Para simular as condições experimentais, comece a encher o tanque com a solução de flutuabilidade neutra a granel.

Quando o tanque estiver cheio, instale luzes para iluminar a máscara. Em seguida, volte a trabalhar com as câmeras. Foque cada câmera no mesmo ponto da máscara e, em seguida, adquira e armazene imagens para calibração.

Depois de drenar o tanque, continue configurando o experimento colocando um laser de granada de neodímio ítrio e alumínio. Providencie um divisor de feixe para direcionar parte do feixe de laser para um espelho. A luz sai do espelho através de lentes que formam um feixe cilíndrico e entra no tanque.

No lado oposto do tanque, coloque um espelho para refletir a luz do laser que sai de volta ao longo de seu caminho. Use a outra saída do divisor de feixe e um arranjo semelhante de espelhos e lentes para criar um feixe cilíndrico perpendicular ao primeiro, como neste esquema de vista superior. Os espelhos de onde saem os feixes ajudam a criar uma iluminação mais uniforme.

Em seguida, inspecione o tanque que está cheio com solução de cloreto de cálcio de flutuabilidade neutra desgaseificada. Antes de continuar, certifique-se de que as câmeras e o software de aquisição de dados estejam prontos. Prepare-se para adicionar ao tanque as cerca de 10.000 tétrades que foram preparadas para este experimento.

Mova-os para a posição perto da porta na parte superior do tanque. Quando estiver pronto, abra a porta e adicione as partículas à água do tanque. Feche a porta depois que todas as partículas forem adicionadas.

Em seguida, vá para o laser. Lá, ligue-o e abra a abertura do laser. Em seguida, use os controles da grade para iniciar a oscilação da grade a três hertz.

No tanque, deixe a grade oscilar por cerca de um minuto para permitir que a turbulência se desenvolva totalmente. Nesse ponto, comece a aquisição de dados e registre cerca de um milhão de quadros. Na conclusão da corrida, pare a coleta de dados e feche a abertura do laser.

Depois que todos os experimentos forem executados, vá para a saída do tanque. Lá, coloque um filtro para remover as partículas da solução e esvazie o tanque. Guarde as partículas coletadas na solução de flutuabilidade neutra para uso posterior.

Realize a análise de dados nas imagens gravadas usando software para encontrar a posição e a orientação das partículas. As etapas a seguir são implementadas no software. Começando com quatro imagens síncronas de uma partícula capturada pelas quatro câmeras, use informações bidimensionais para determinar sua posição tridimensional.

Projete um modelo numérico tridimensional da partícula iluminada em cada câmera usando os parâmetros de calibração da câmera. Isso cria um modelo bidimensional de intensidade de luz da partícula em todas as quatro câmeras. Em seguida, execute uma rotina de ajuste de mínimos quadrados não linear para encontrar a orientação do modelo que melhor se ajusta ao que é visto em todas as quatro câmeras.

Combine informações de todas as quatro câmeras para minimizar a diferença entre o modelo projetado em cada câmera e a partícula observada. Essas etapas serão executadas para todos os quadros que possuem partículas à vista de todas as câmeras. Esta é a evolução de uma tétrade em posição e orientação.

Observe a mudança descontínua na orientação dos braços da tétrade, que é possível ter sem salvaguardas. Esta segunda versão da evolução da tétrade mostra que o software garante que os ângulos do lubrificador para cada quadro tenham a menor rotação em relação ao quadro anterior. As informações de posição e orientação são salvas para uso posterior.

Esta é uma imagem de câmera de uma tétrade no experimento. Na segunda imagem, o modelo sobreposto indica a orientação encontrada pelo algoritmo. Apesar da simplicidade do modelo de intensidade bidimensional, o método produz medições precisas da orientação das partículas.

No experimento, o algoritmo de localização de orientação é usado para obter a evolução dos ângulos do lubrificador ao longo de toda a trajetória de cada partícula. Esta é uma reconstrução da trajetória completa de uma tétrade através do volume de visualização. Isso é conseguido combinando a orientação e as coordenadas tridimensionais da partícula para cada quadro em que ela está à vista por todas as quatro câmeras.

O comprimento da pista é de 229 quadros. Observe que a partícula não é desenhada em escala. Os dados também permitem determinar a função de densidade de probabilidade da taxa de queda medida.

Os quadrados vermelhos são dados para cruzes. Os círculos azuis são dados para tomadas. A linha sólida representa o resultado da simulação numérica de esferas, que corresponde muito bem aos dados experimentais.

Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em três dias se executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante permitir que as partículas passem algumas horas nas soluções de diferentes densidades. Também é essencial garantir que as câmeras estejam devidamente alinhadas, fixas e sincronizadas durante todo o experimento.

Seguindo este procedimento, outros métodos, como o rastreamento de partículas traçadoras, podem ser usados para medir como as partículas impressas em 3D respondem ao gradiente de velocidade total mais tenso no fluxo circundante. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como usar partículas anisotrópicas para extrair informações sobre o gradiente de velocidade mais tenso do fluxo turbulento usando quatro imagens de vídeo estereoscópicas. Não se esqueça de que trabalhar com corante rodamina-B e hidróxido de sódio pode ser perigoso, e precauções como luvas e óculos de proteção devem sempre ser tomadas durante a realização deste procedimento.