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

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

Este método proporcionou uma compreensão do movimento de discos e esferas em turbulência e pode ser utilizado para medir a dinâmica de partículas com formas complexas em muitas outras situações. Em geral, indivíduos novos neste método terão dificuldades com a calibração da câmera 3D e com a adaptação do algoritmo de determinação de orientação às partículas específicas utilizadas. Auxiliando na demonstração do procedimento estará Guy Marcus, que realizou os experimentos originais com cruzes e peças em forma de dama.

Inicie utilizando um software de design auxiliado por computador para criar modelos de partículas para impressão. Para criar uma tríade usando o AutoCAD, primeiro utilize o comando círculo para desenhar um círculo com diâmetro de 0,3 milímetros. Em seguida, utilize o comando extrusão para criar um cilindro com três milímetros de comprimento.

Cilindros deste tamanho são os blocos estruturais das partículas. Agora, use o comando de rotação e selecione o eixo de rotação ao longo do eixo X, com um ângulo de rotação de 90 graus. Ajuste a visualização para permitir espaço para trabalhar com outros cilindros.

Em seguida, faça uma cópia do cilindro que será o segundo braço da tríade. Na extremidade deste cilindro, aplique o comando girar 3D com o eixo de rotação ao longo do eixo Z. Gire o cilindro 120 graus para formar a tríade.

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

Em seguida, gire o objeto para que nenhum cilindro aponte ao longo do eixo vertical ou horizontal. Quando todos os braços estiverem posicionados, selecione-os todos e use o comando de união para juntá-los em um único objeto. Salve o arquivo em um formato adequado para impressão 3D.

Crie as demais partículas a serem utilizadas no experimento seguindo etapas semelhantes. Além da tríade, há a cruz, formada por dois cilindros ortogonais com um centro comum, o jack, composto por três cilindros mutuamente ortogonais com um centro comum, e a tétrade, na qual os cilindros compartilham uma extremidade comum e estão dispostos em ângulos de 109,5 graus entre si. Imprima cerca de 10.000 partículas de cada tipo em modo de alta resolução.

Prepare-se para armazenar as partículas impressas em uma solução na qual elas sejam neutras em termos de flutuabilidade. Para isso, utilize 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 inicie o trabalho com as partículas. As partículas utilizadas neste experimento foram produzidas comercialmente. Elas chegam embutidas em resina, usada como material de suporte.

Libere as partículas quebrando suavemente os pedaços grandes em seções menores. Trabalhe com cada seção massageando-a manualmente até que grande parte da resina em excesso seja removida. Isso facilitará as etapas posteriores.

Para limpar ainda mais as partículas, prepare uma solução a 10% em massa de hidróxido de sódio em um béquer. Em seguida, coloque algumas partículas e o que restou do revestimento de resina no béquer para remover a resina. Coloque o béquer com a solução em um banho ultrassônico.

Mantenha as partículas no banho ultrassônico por uma hora inicialmente e, em seguida, por mais meia hora após a lavagem. Para recuperar as partículas, prepare um segundo béquer para receber a solução de hidróxido de sódio do banho e um filtro. Após a conclusão dos passos de limpeza ultrassônica, use luvas para retirar o béquer do banho e despeje o conteúdo através do filtro no segundo béquer.

Lave as partículas antes de transferi-las para a solução com densidade ajustada, onde serão imersas para evitar deformação. Essas são partículas que foram liberadas de sua resina, limpas em banho ultrassônico e agora estão prontas para serem coradas para fluorescer sob luz laser verde. Para corar as partículas, utilize uma solução de um litro de corante Rodamina-B em água e coloque-a em uma placa aquecedora.

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

Adicione as partículas à solução corante e mantenha a temperatura enquanto estiverem imersas. Após cerca de duas ou três horas, remova a solução e as partículas do aquecimento. Use uma peneira e um recipiente separado para filtrar as partículas da solução.

Tenha cuidado para não danificá-los enquanto estiverem macios devido ao calor. Em seguida, lave cuidadosamente as partículas para remover o corante em excesso. Quando concluído, armazene-as na solução de flutuabilidade neutra até que sejam necessárias para o experimento.

O experimento será realizado em um tanque com câmeras posicionadas para registrar as partículas no centro do fluxo. Este esquema fornece uma visão geral da configuração do tanque, que possui uma seção transversal octogonal, grades oscilantes utilizadas para criar fluxo turbulento, o volume de medição e as posições das câmeras. Utilize no mínimo quatro câmeras para garantir a precisão na medição da orientação.

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

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 em massa.

Quando o tanque estiver cheio, configure as luzes para iluminar a máscara. Em seguida, retorne ao trabalho com as câmeras. Foque cada câmera em um mesmo ponto da máscara, depois adquira e armazene imagens para calibração.

Após drenar o tanque, continue montando o experimento colocando um laser de granada de neodímio-ítrio-alumínio. Posicione um divisor de feixe para direcionar parte do feixe do laser a um espelho. A luz vai 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 laser que sai de volta ao longo de seu percurso. Use a outra saída do divisor de feixe e uma configuração semelhante de espelhos e lentes para criar um feixe cilíndrico perpendicular ao primeiro, conforme mostrado neste esquema em vista superior. Os espelhos onde os feixes saem ajudam a criar uma iluminação mais uniforme.

Em seguida, inspecione o tanque preenchido com solução neutra de cloreto de cálcio desgaseificada. Antes de prosseguir, certifique-se de que as câmeras e o software de aquisição de dados estão prontos. Prepare-se para adicionar as aproximadamente 10.000 tétrades que foram preparadas para este experimento ao tanque.

Mova-os para a posição próxima à abertura na parte superior do tanque. Quando estiver pronto, abra a abertura e adicione as partículas à água no tanque. Feche a abertura assim que todas as partículas tiverem sido adicionadas.

Em seguida, dirija-se ao laser. Ligue-o e abra a abertura do laser. Em seguida, use os controles da grade para iniciar a oscilação da grade em três hertz.

No tanque, deixe a grade oscilar por cerca de um minuto para permitir que a turbulência se desenvolva completamente. Nesse momento, inicie a aquisição de dados e registre cerca de um milhão de quadros. Ao final da execução, pare a coleta de dados e feche a abertura do laser.

Após a realização de todos os experimentos, dirija-se à saída do tanque. Coloque ali 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 dos dados nas imagens registradas usando um software para determinar a posição e orientação da partícula. Os seguintes passos são implementados no software. A partir de quatro imagens síncronas de uma partícula capturadas pelas quatro câmeras, utilize informações bidimensionais para determinar sua posição tridimensional.

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

Combine as informações provenientes das quatro câmeras para minimizar a diferença entre o modelo projetado em cada câmera e a partícula observada. Esses passos serão realizados em todos os quadros que apresentarem partículas visíveis para todas as câmeras. Esta é a evolução de um tetrad em posição e orientação.

Observe a mudança descontínua na orientação dos braços da tétrade, o que é possível ocorrer sem proteções. Esta segunda versão da evolução da tétrade mostra que o software garante que os ângulos do distribuidor de óleo em cada quadro sejam 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 um tetrad no experimento. Na segunda imagem, o modelo sobreposto indica a orientação determinada pelo algoritmo. Apesar da simplicidade do modelo de intensidade bidimensional, o método produz medidas precisas da orientação da partícula.

No experimento, o algoritmo de detecção de orientação é utilizado para obter a evolução dos ângulos do oleador ao longo de toda a trajetória de cada partícula. Esta é uma reconstrução da trajetória completa de um tetraedro através do volume observado. Isso é alcançado combinando a orientação e as coordenadas tridimensionais da partícula em cada quadro em que ela está visível para todas as quatro câmeras.

O comprimento da trilha é de 229 quadros. Observe que a partícula não está desenhada em escala. Os dados também permitem a determinação da função de densidade de probabilidade da taxa de tombamento medida.

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

Uma vez dominada, essa técnica pode ser realizada em três dias, se executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante deixar as partículas algumas horas nas soluções de diferentes densidades. Também é essencial garantir que as câmeras estejam adequadamente alinhadas, fixadas e sincronizadas durante toda a duração do experimento.

Após este procedimento, outros métodos, como o rastreamento de partículas traçadoras, podem ser utilizados para medir como partículas impressas em 3D respondem ao tensor completo do gradiente de velocidade no fluxo circundante. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como usar partículas anisotrópicas para extrair informações sobre o tensor do gradiente de velocidade a partir de fluxo turbulento utilizando quatro imagens estereoscópicas de vídeo. Não se esqueça de que trabalhar com corante Rodamina-B e hidróxido de sódio pode ser perigoso, e precauções como o uso de luvas e óculos de proteção devem sempre ser tomadas ao realizar este procedimento.