Name: Tridimensional Velocímetro de Partículas de Rastreamento for Applications Turbulência: Case de um fluxo de Jet (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 2 s
Description: Aprenda a configurar e otimizar um sistema de velocimetria por rastreamento de partículas 3D para estudos de turbulência em jatos circulares. Esta técnica permite analisar o campo de fluxo intermediário com câmera de alta velocidade.

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Este trabalho foi financiado pelo Departamento de Ciência e Engenharia Mecânica, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, como parte do pacote de start-up de Leonardo P. Chamorro.

1. Segurança Lab <ol><li> Rever as diretrizes de segurança da fonte de iluminação selecionado (por exemplo, a laser, LED industrial, de halogéneo). Nota: neste experimento, um conjunto de cinco 250 holofotes de halogéneo Watts são usados ​​como iluminação. aspectos básicos de segurança e recomendação para essa fonte de luz são descritas a seguir. <ol><li> Evitar o contacto directo com lâmpadas halógenas, que operam a altas temperaturas (~ temperatura de 3.000 K de cor). </li><li> Mantenha a luz acesa somente quando a aquisição de dados para evitar o aquecimento do fluxo em consideração. </li><li> Manter afastado todos os materiais graváveis ​​perto da fonte de luz, incluindo o papel de qualquer tipo. </li></ol></li></ol> 2. Experimental Set-up <ol><li> Escolha a lente apropriada <ol><li> Escolha uma lente com baixa aberração para evitar problemas de calibração. tipos de lentes recomendadas são telefoto ou micro lentes. </li><li> Certifique-se de que a lente cobre o campo de visão desejado (FOV) dentro do object distância, O, através da estimativa da ampliação necessária, M. Nota: A ampliação é a razão entre o comprimento do chip câmara para o FOV, e a distância do objecto pode ser calculado como O = f (1 / M + 1), em que f é a distância focal da lente. Nesta experiência, o comprimento do chip câmara é 20,34 milímetros e o FOV correspondente, ou o espelho primário, é de 50 mm, com a distância do objecto limitado O ≤250 mm. (A distância do objeto é restringida devido ao comprimento finito do controle deslizante onde a câmara ea vista divisor estão montados.) A ampliação é M = 20,34 / 50 = 0,41, e da distância focal aproximada com o intervalo dado da distância do objecto é f ≤72.7 mm. Assim, um micro lentes com uma distância focal de 60 mm é usado com uma razão focal de f / 2.8D. </li></ol></li><li> Montar e ajustar a câmera com o Vista Splitter. <ol><li> Nivelar o centro do espelho primário com que o volume de interrogação, deslizando a mirror ao longo da coluna de montagem vertical e fixação do espelho com o titular do lugar. Note-se que esta etapa é realizada antes de instalar os espelhos secundários. </li><li> Montar a câmara e definir o centro da imagem coincidente com o centro do espelho primário. </li><li> Ajuste a largura e altura da visão da câmera para cobrir apenas o espelho primário, controlando a região de interesse (ROI) de ajuste no software de gravação. Este processo é reduzir o tamanho da imagem e ruído na imagem. Nota: Nesta experiência, o tamanho do espelho primário é de 5 x 5 cm2 (1.728 x 1728 pixels). </li><li> Projetar um destino de calibragem (personalizado) 3D. Ele deve colocar todo o volume de investigação. Assegurar que cada vista do divisor capta todas as marcas alvo para permitir uma calibração uniforme. Nota: nesta demonstração, o alvo era 3D impresso usando vero volta de plástico. Ele tem uma forma de escada-like com dimensão de 35 x 35 x 30 milímetros 3, com 1 mm de diâmetro pontos alvo branco separated 2,5 mm, 5 mm e 10 mm na vertical, streamwise e orientações spanwise. geometria precisa do alvo é crucial, uma vez que projeta em um modelo de calibração e a posição das câmeras com relação à calha. </li></ol></li><li> Coloque o alvo de calibração para o volume de interrogação. <ol><li> Posicionar o alvo de calibração em uma plataforma ajustável em altura de frente para a câmera. </li><li> Coincidir com a altura do centro do alvo de calibração com o centro do volume de interrogação através do ajuste da altura da plataforma alvo. Nota: Neste exemplo, a marca do centro do alvo de calibração é nivelado com o centro do bico de jacto, com 20 cm de altura. Um medidor de nível de bolha pode ser usado para nivelar o alvo. </li></ol></li><li> Montar e ajustar os espelhos retrovisores secundários do Splitter Quatro-view. <ol><li> Localize o espelho primário a uma distância de interrogação o que garante a sua captura completa. Ele é de 0,2 m para esta demonstração (FigurE 1). </li><li> Montar espelho secundário na sua posição aproximada, em que a vista da câmara a partir de cada lado do espelho primário é aproximadamente alinhado com um espelho secundário. Prenda o espelho secundário, fixando-a pós montagem vertical do espelho secundário. </li><li> Repita esse processo para os outros três espelhos. Verificar simetria geométrica de todos os espelhos secundários em relação ao espelho primário. </li><li> Faça os ajustes finais, ajustando a montagem de espelho dos espelhos secundários para garantir que cada um dos quatro pontos de vista envolve o alvo de calibração inteiro. Uma maneira eficiente para verificar posições e ângulos dos espelhos é usar um ponteiro laser para visualizar o caminho a imagem de cada exibição. </li><li> Verificar a existência de sobreposição de sub-imagens movendo um espelho. Nota: Se apenas um alterações vista, então a região de sobreposição é insignificante. Caso contrário, repita os passos 2.4.2 a 2.4.5 até a região de sobreposição é minimizado. </li></ol></li><li> Coloque fonte de luz (s) de frente para o volume de interrogatório. Certifique-se de ter a câmera coberta ao ajustar a luz para evitar danos no sensor da câmera. <ol><li> Verificar que a fonte de luz está uniformemente distribuída ao longo de todo o volume de investigação. </li><li> Aumentar a intensidade da luz, se necessário, pela colocação de uma lente de ampliação directamente sob as fontes de luz. Nota: neste experimento, uma lente de aumento plano-convexa de focal f distância 0 = 450 mm é usado para intensificar a iluminação. </li></ol></li></ol> 3. Set-up Optimization <ol><li> Ligue e ajustar as configurações da câmera para aumentar a qualidade da imagem. <ol><li> Ajuste a ampliação da lente até que a reflexão através do espelho primário é igualmente focada em todos os quatro pontos de vista dos espelhos secundários. </li><li> Verifique se as imagens a partir do divisor de vista são simétricas e capturar o volume interrogatório, observando a simetria da imagem alvo de calibração a partir dos quatro pontos de vista. </li><li> Ajuste o número f para capturar o mais próximo e os mais distantes pontos alvo de calibração da câmera. Nota: Isso permite que a câmera para capturar partículas tracer apenas na profundidade do volume de interrogatório. Neste exemplo, o número f é 11. </li><li> Defina a taxa de quadros desejado como 550 Hz (que depende de uma aplicação específica, consulte Introdução) e maximizar a sensibilidade à luz em conformidade no software de gravação. </li></ol></li><li> Verifique a iluminação em cada exibição do espelho primário, observando a diferença de densidade de partículas em cada exibição do separador através de uma visão da câmera ao vivo. Nota: Se múltiplas fontes de luz são utilizadas para iluminar o volume de interrogação, é provável ter diferenças em cada vista do divisor. Neste experimento, os dois primeiros espelhos secundários recebeu menos luz, porque a iluminação vem de cima. A utilização de um espelho plano, na parte inferior do canal hidráulico pode ajudar a reduzir a variação de luznas vistas. </li><li> Desligue as luzes de fundo no ambiente antes de usar fontes de luz 3D-PTV. </li><li> Ajuste o nível G &amp; B da câmera para capturar melhor a difusão da luz das partículas. Gravar várias sequências curtas com vários níveis de G &amp; B e encontrar o melhor observando a distribuição e densidade de trajetórias de partículas. Nota: nesta experiência, a gama de G &amp; B nível foi 0-500, e preta nível (B) foi definida como 500, para iluminar a difusão da luz dimmer, enquanto que, o ganho (G) foi criado médio, 300, para amplificar moderadamente imagem sinais e evitar o excesso de clarear a imagem. </li></ol> 4. A calibração <ol><li> Coloque o alvo de calibração no volume de investigação antes de adicionar partículas de traçadores, e tomar algumas imagens de calibração. Use uma fonte de luz dimmer (por exemplo, a luz do flash LED) para iluminar o alvo. </li><li> Divida a imagem de calibração em quatro sub-imagens independentes e fazer um arquivo de texto contendo a referir-secia coordenar as posições das marcas de destino. software OpenPTV (http://www.openptv.net) é aqui utilizada para este propósito. Nota: diante de processamento é idêntico aos utilizadores que utilizam uma câmera de múltiplos set-up. </li><li> Clique na guia &quot;Criar calibração &#39;para iniciar o processo de calibração depois de salvar imagens e o arquivo de texto obtido na etapa 4.2 na pasta&#39; Cal &#39;do software. </li><li> Clique na guia &quot;Editar parâmetros de calibração &#39;e escolha a aba&#39; Orientação de calibração parâmetros &#39;para definir a ampliação, ângulos de rotação ea distância entre o centro de cada exibição de divisão ea origem do alvo de calibração. Nota: A primeira linha é a distância do alvo de calibração origem para o sensor da câmera no x, y, z direção. A segunda linha indica os ângulos, em radianos, em torno de x, y, z. Em seguida, a 3 por 3 de dados representa a matriz de rotação. Em seguida, as duas fileiras seguintes são as distâncias do furo de pino de x e <em&gt; y eixos do centro da imagem (mm) e da distância focal. A última linha contém a posição da calha de vidro no que diz respeito ao alvo origem no X, Y, Z. </li><li> Clique em &#39;Detecção&#39; e &#39;Show estimativa inicial&#39; para investigar de que o &#39;acho&#39; pontos são combinados com os pontos alvos detectados. </li><li> Repita o passo 4.4 para todos os quatro pontos de vista até que pontos o &#39;suposição&#39; estão alinhadas com o conjunto de imagens de calibração. </li><li> Clique em &quot;Orientação&quot; para reconstruir a orientação do volume interrogatório. Nota: A calibração pode ser melhorada ajustando a distorção da lente e transformação afim. Agora, o volume investigação está calibrado e pronto para processar dados. Veja tese do autor 36 para descrição adicional do processo de calibração. </li></ol> 5. Fluxo Ambiente / Coleta de Dados <ol><li> Estimar a quantidade máxima de partículas capturadas em cada visão da câmera do uma taxa de quadrosvelocidade de fluxo máxima d. Nesta demonstração, a velocidade de referência é de U ≈ 0,4 m / s, a taxa de quadros é de 550 Hz e ~ 4 x 4 x 4 cm3 de volume interrogatório. Isto resultou em ~ 1000 partículas por quadro. </li><li> Ligue a câmera com as configurações otimizadas obtidos na etapa 3. </li><li> Adicionar partículas de nucleação e esperar vários tempo médio de residência para permitir o fluxo de atingir um estado de equilíbrio. Adicionar mais partículas se necessário, mas evitar a alta densidade de semeadura, estimado na etapa 5.1, que pode causar ambiguidades. Nota: Neste exemplo, ~ 1,6 g de 100 m de esferas ocas de cerâmica revestidas de prata de 1,1 g / cm 3 de densidade são utilizados como sementeira para o meio fluido (2 x 0,4 x 0,4 m 3). </li><li> Grave o número desejado de imagens de fluxo. Nota: neste experimento, 9.000 imagens em 550 Hz foram capturados usando o software de gravação. Repita os passos de 2,4-5,3 se a câmera e / ou vista splitter é movido (até mesmo um ligeiro movimento pode fortemente afetar os resultados). </li></ol> 6. Processamento de Dados (Via OpenPTV Software) <ol><li> Divida a imagem crua obtida no passo 5.4 em quatro sub-imagens independentes. </li><li> Clique em &#39;Init / restart&#39; na guia &#39;Start&#39; para carregar imagens iniciais a partir de quatro pontos de vista. </li><li> Direito do mouse no diretório &#39;Run&#39; e clique número de câmeras, índices de refração, o reconhecimento de partículas, o número de imagens de seqüência, volume de observação e critérios para correspondências para controlar &quot;Parâmetros Main &#39;. <ol><li> Definir o número de câmaras (visualizações) utilizados para o experimento na guia &quot;Geral&quot;. Neste experimento, definir o número de câmeras, como 4. </li><li> Definir índices de refração ao longo da vista da câmara sob a aba &#39;índices de refração&#39;. </li><li> Definir o min e número máximo de detecção de pixel, bem como limiar de valor de cinza para otimizar o número de detecção de partículas em todos os quatro pontos de vista sob a aba &#39;reconhecimento Particle &quot;. Os números mínimo e máximo de pixels deproteção e limite cinza determinar o tamanho do pixel e nível de brilho para detecção de partículas. Ele elimina o ruído e partículas fora de foco. </li><li> Definir o número de imagens a processo sob dos Parâmetros para processamento de sequência &quot;. </li><li> Definir o volume de observação sob a aba &#39;Observação Volume&#39;. </li><li> Definir a correlação de correspondências sob os «Critérios de correspondências&quot;, incluindo parâmetro de banda total (mm) para correspondência estéreo. </li></ol></li><li> Clique em &#39;filtro passa alta&#39; no separador &#39;Preprocess&#39;. Isso intensifica espalhamento de luz a partir de partículas em todos os quatro pontos de vista. </li><li> Clique em &#39;detecção de partículas&#39; para determinar o baricentro das partículas detectadas a nível sub-pixel para todos os quatro pontos de vista. Repita os passos 6.2 e 6.3 até que o número de partículas detectadas semelhantes ao número esperado de partículas calculadas no passo 5.1. </li><li> Clique &quot;correspondências&quot; para estabelecer corresponden estereoscópicaces em cada vista. Nota: Para reconstruir a posição 3D de partículas detectadas, correspondências deve ser determinada pelo menos a partir de três pontos de vista. </li><li> Clique em &quot;posições 3D &#39;para obter uma posição 3D partícula detectada com base na calibração. </li><li> Clique em &#39;Sequência sem display&#39; para repetir o processo a partir das etapas 6,4 a 6,7 ​​para todas as sequências de imagens. Nota: Isso cria um arquivo &#39;rt_is&#39; para cada conjunto de imagens que contém um resumo das partículas detectadas no quadro com um formato de arquivo de texto separado por tabulação. </li><li> Direito do mouse no diretório &#39;Run&#39; e clique em &quot;Acompanhamento de Parâmetros&quot; para definir os parâmetros da esfera de raio, (por exemplo dvxmin e dvymin em mm / frame), para procurar partículas candidatos para o rastreamento. </li><li> Clique em &#39;Rastreamento sem display&#39; para definir identificação de partículas (ID) de partículas reconstruídos obtidos no passo 6.7. Nota: se correlaciona uma sequência de quadros adjacentes para rastreamento usando um predic quatro quadrostor esquema preditor-corretor 24. Este processo cria um arquivo ptv_is para cada conjunto de imagens que contém informações de rastreamento de partículas detectadas no quadro; as duas primeiras colunas mostram a identificação de partículas no quadro anterior e no quadro seguinte, respectivamente. </li><li> Clique em &quot;Mostrar trajectórias &#39;para visualizar trajetórias em cada visão da câmera. </li></ol> 7. Pós-Processamento (optativo) Nota: o alcance e tipo de pós-processamento depende das necessidades individuais e é, portanto, customizável. Aqui, os cálculos de base ponto são descritas resumidamente como um exemplo. <ol><li> Obter dados no quadro de Lagrange (via Matlab). <ol><li> Extrair a posição 3D de cada partícula e sua ID associado a partir dos arquivos ptv_is. Ele permite que liga as partículas detectadas entre sequências de imagens para reconstruir trajetórias. </li><li> Calcular a velocidade e aceleração de partículas a partir da dada taxa de quadros para cada trajetória.Nesta demonstração, a velocidade e a aceleração de partículas são calculados por filtragem passa-baixo o sinal de posição com uma spline cúbico mover 34, 37. </li><li> Faça um formato de matriz estrutura com campos que contêm posições 3D, velocidades 3D, acelerações 3D e carimbo de tempo, bem como ID trajetória de cada trajetória. Neste formato de dados, o comprimento da matriz de estrutura representa o número de trajectórias. </li></ol></li><li> Obter dados em Eulerian Frame (via Matlab). <ol><li> Transformar a matriz de struct (passo 7.1.3) para um temporal, usando o carimbo de tempo de cada partícula. Isto cria uma estrutura de matriz de estrutura semelhante obtido no passo 7.1.3, mas o comprimento da matriz struct agora representa o número de quadro, que é 9000 nesta experiência. </li><li> Interpolar a matriz struct temporais em uma grade tridimensional para cada período de tempo para obter campos de velocidade instantânea em coordenadas de Euler. Nesta demonstração, a diversão gridDatacção em Matlab é usado para executar a interpolação. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Os autores declaram que não têm qualquer interesse financeiro que faça concorrência.

<html> 3D-PTV tem um grande potencial para desvendar a complexa física de uma variedade de fluxos turbulentos, tais como movimentos turbulentos em grande escala na atmosfera inferior 25, a distribuição do ar interior 26 ou fluxos pulsátil em topologia aórtica 28, entre muitos outros. No entanto, a compreensão de suas vantagens e limitações, bem como a experiência é essencial para maximizar o seu potencial. Experimentação e testes preliminares erro e iterações exaustivos para definições id...

fluxos de jato de turbulência são onipresentes em aplicações de engenharia. caracterização detalhada de tais fluxos é crucial para um amplo espectro de problemas práticos que vão desde sistemas de descarga ambiental em grande escala para dispositivos micro-escala eletrônica. Por causa do seu impacto num número de aplicações gerais, os fluxos de jacto têm sido estudadas em profundidade 1-4. Várias técnicas experimentais, incluindo anemometria hotwire 4-8, Laser Doppler velocimetria (LDV) 4, 9-12, e Velocimetry Imagem de Partículas (PIV) 12-16, têm sido utilizados para caracterizar jet flui em uma ampla gama de números de Reynolds e de fronteira condições. Recentemente, alguns estudos foram feitos usando 3D-PTV para estudar a interface turbulenta / não-turbulento de jet flui 17, 18. 3D-PTV é uma técnica especialmente adequado para descrever complexo fi turbulentocampos de uma perspectiva diferente. Ele permite a reconstrução de trajetórias de partículas dentro de um volume em um quadro de Lagrange de referência utilizando multi-view estereoscopia. A técnica foi introduzida pela primeira vez por Chang 19 e desenvolvidos pela Racca e Dewey 20. Desde então, muitas melhorias foram feitas no algoritmo 3D-PTV e configuração experimental 21-24. Com estas realizações e trabalhos anteriores, o sistema foi utilizado com sucesso para estudar vários fenômenos fluidos como movimento fluido em larga escala em um domínio de 4 mx 2 mx 2 m 25, campo de fluxo de ar interior 26, pulsátil fluxos 27 e sangue da aorta fluxo 28 . O princípio de funcionamento de uma medição 3D-PTV consiste no sistema de aquisição de dados set-up, a gravação / pré-processamento, calibração, correspondências 3D, acompanhamento temporal e pós-processamento. Uma calibração precisa permite uma detecção exacta da posição da partículas. A correspondência das partículas detectadas em mais de três pontos de vista de imagem permite a reconstrução de uma posição de partículas 3D baseada na geometria epipolar. Uma ligação a partir de quadros de imagem consecutivos resultar em um acompanhamento temporal que define as trajectórias das partículas s (t). Otimização do sistema 3D-PTV é essencial para maximizar a probabilidade de rastreabilidade multi-partículas. Primeira etapa da otimização é a aquisição de um sistema de aquisição de dados adequada, incluindo câmeras de alta velocidade, fonte de iluminação e características de partículas de nucleação. A resolução da câmara, juntamente com o tamanho do volume de interrogação define o tamanho do pixel e, por conseguinte, o tamanho de partícula de semeadura necessária, o que deve ser maior do que um único pixel. Os centroids de partículas detectadas são estimados com precisão sub-pixel, tomando a posição média de pixels de partículas ponderados pelo brilho 21. taxa de quadros da câmera está intimamente ASSOCIATed com o número de Reynolds e a capacidade de ligar partículas detectadas. Uma taxa de fotogramas mais elevada permite resolver flui mais rápido ou um maior número de partículas uma vez que o rastreamento torna-se mais difícil quando o deslocamento entre as imagens for superior significa a separação média das partículas. A velocidade do obturador, abertura e sensibilidade são três factores a considerar na captura de imagem. A velocidade do obturador deve ser rápido o suficiente para minimizar o desfoque em torno de uma partícula, que reduz a incerteza da posição de partículas centróide. Abertura A câmara deve ser ajustado para a profundidade de campo do volume de interrogação para reduzir a probabilidade de detecção de partículas fora do volume. Uma vez que a sensibilidade máxima de uma câmera é fixa, como taxa de quadros aumenta, a luz necessária necessária para iluminar as partículas deve aumentar em conformidade. Ao contrário de PIV, configurações ópticas complexas e lasers de alta potência não são estritamente necessárias em 3D-PTV, desde que a fonte de luz é suficientemente fezestered das partículas marcadoras para a câmara. Contínuas LED ou lâmpadas halógenas são boas opções rentáveis ​​que ignoram a necessidade de sincronização 21. Em 3D-PTV, assim como outras técnicas de medição de fluxo óptico, a velocidade do traçador de partículas é assumida como sendo a velocidade do fluido instantânea locais 29. No entanto, este é apenas o caso de rastreadores ideais de diâmetro nula e inércia; partículas tracer deve ser grande o suficiente para ser capturado por uma câmera. A fidelidade de uma partícula finito pode ser determinada pelo número de Stokes S T, ou seja a razão entre a escala de tempo de relaxamento de partículas e a escala de tempo das estruturas turbulentas de interesse. Em geral, S t deve ser substancialmente menor do que 1. Para S t ≤0.1 erros de rastreamento de fluxo são inferiores a 1% 30. Em profundidade discussão pode ser encontrada em Mei et al 29-31. </sup&gt;. tamanho de partícula recomendado para uma experiência 3D-PTV varia dependendo da fonte de luz e a sensibilidade da câmara. Com halogéneo ou LEDs como fontes de iluminação, as partículas relativamente grandes são utilizados (por exemplo, 50-200 um) 32, enquanto que as partículas mais pequenas (por exemplo, 1-50 mm) 33, 34 pode ser usado com um laser de alta potência (por exemplo, 80-100 Watts do laser CW). As partículas com alta refletividade para um determinado comprimento de onda de luz, como a prata revestida sob a luz de halogéneo, pode amplificar a sua marca em uma imagem. A densidade de semeadura é outro parâmetro importante para uma medição bem sucedida 3D-PTV. Algumas partículas resultar em baixo número de trajetórias, enquanto que um número excessivo de partículas causam ambiguidades no estabelecimento de correspondências e rastreamento. Ambiguidades no estabelecimento de correspondências incluem partículas que se sobrepõem e detectar vários candidatos ao longo da linha epipolar definido. No processo de acompanhamento, a ambiguidade devido a uma alta seedin<html> g é a densidade ocorreu por causa da separação média de partículas relativamente curto. O segundo passo é configurações ideais em / de pré-processamento de gravação para melhorar a qualidade da imagem. ajustes fotográficos, tais como ganho e nível de preto (G &amp; B), desempenham um papel importante na otimização da qualidade da imagem. nível de preto define o nível de brilho na parte mais escura de uma imagem, enquanto o ganho amplifica o brilho de uma imagem. Pequenas variações dos níveis de G &amp; B pode impactar significativamente a probabilidade de rastreabilidade. Na verdade, a alta G &amp; B pode over-iluminar uma imagem e, eventualmente, danificar o sensor da câmera. Para ilustrar isso, o impacto de G &amp; B níveis sobre a reconstrução do fluxo é também examinado neste artigo. No passo de pré-processamento, as imagens são filtrados com um filtro passa-alto para enfatizar a dispersão de luz a partir de partículas. O tamanho do pixel e escala de cinza são ajustados para maximizar a detecção de partículas dentro do volume interrogatório. t &quot;&gt; Terceira etapa de optimização é uma calibração precisa da formação de imagem estereoscópica, a qual é baseada na geometria epipolar, os parâmetros da câmara (distância focal, ponto de princípio, e coeficientes de distorção), e alterações de índice de refracção. Este processo é essencial para minimizar a 3D erro de reconstrução dos pontos alvo fiduciais. geometria epipolar usa distâncias relativas (entre a câmera eo volume de interrogatório) e ângulo inclinado a partir da imagem alvo. alterações de índice de refração ao longo da vista da câmara através do volume interrogatório pode ser tomado em consideração com base no procedimento de Massa et ai. 21. Nesta experiência, uma estrutura de escada semelhante 3D com pontos distribuídos regularmente alvo é usado como um alvo. Em uma experiência 3D-PTV, embora apenas duas imagens são necessários para determinar uma posição de partículas 3D, normalmente mais câmeras são usadas para reduzir ambigüidades 21. Uma alternativa para configurações de caras com várias câmeras de alta velocidade é a vidivisor EW, proposto por Hoyer et ai. 35 para a utilização de 3D-PTV e recentemente aplicado por Gulean et al. 28, para as aplicações biomédicas. O divisor de vista consiste em um espelho em forma de pirâmide (espelho hereon primário) e quatro espelhos ajustáveis ​​(Hereon espelho secundário). Neste trabalho, um divisor de quatro vista e uma única câmara foram usadas para imitar a imagem estereoscópica de quatro câmeras. O sistema é usado para caracterizar o campo de fluxo intermédio de um tubo de jacto com um diâmetro, d h = 1 cm e Re ≈ 7000 a partir de um de Lagrange e euleriana armações em cerca de 14,5-18,5 diâmetros a jusante do jacto de origem.

<table><tbody><tr><td>Mikrotron 4CXP 4 pistas CXP-6 CoaXPress</td><td>ImageOps</td><td>CAMMC4082</td><td>Câmera de alta velocidade</td></tr><tr><td>Active Silicon FireBird CoaX Frame Grabber</td><td>ImageOps</td><td>FBD-4XCXP6</td><td>Frame Grabber</td></tr><tr><td>100 &mu; m esferas cerâmicas ocas revestidas de prata</td><td>Potters Industries LLC</td><td>AG-SL150-30-TRD</td><td>Partes de semeadura</td></tr><tr><td>StreamPix6</td><td>Upstate Technical Equipment CO.,INC</td><td>MISNOR-STP-6-S-CL</td><td>Aplicação da câmera</td></tr><tr><td>Divisor de quatro vistas</td><td>Photrack AG</td><td></td><td>Peça personalizada e necessária se estiver realizando 3D-PTV com uma câmera</td></tr><tr><td>250 Watts Holofote Halógeno</td><td>General Electrics</td><td>23719</td><td>luz</td></tr><tr><td>OpenPTV (Software)</td><td>OpenPTV (http://www.openptv.net)</td><td></td><td>Software de rastreamento de partículas de código aberto (Nota: disponível como um serviço para quem quiser usá-lo sem toda a bagunça de instalação ou problemas de disponibilidade de energia do computador).</td></tr></tbody></table>

tridimensional velocímetro de partículas de rastreamento for applications turbulência: case de um fluxo de jet

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV é uma técnica de medição de fluxo quantitativa que tem como objetivo rastrear os caminhos de Lagrange de um conjunto de partículas em três dimensões usando a gravação estereoscópica de sequências de imagens. A base componentes, características, limitações e dicas de otimização de uma topologia de 3D-PTV consistindo de uma câmera de alta velocidade com um divisor de quatro-view são descritas e discutidas neste artigo. A técnica é aplicada ao campo de fluxo de intermediário (5 &lt;x / d &lt;25) de um jacto circular em Re ≈ 7000. características de fluxo de Lagrange e quantidades de turbulência em um quadro Eulerian são estimados em cerca de dez diâmetros a jusante da origem de jato e em várias distâncias radiais do núcleo do jato. Propriedades de Lagrange incluem trajectória, velocidade e aceleração de partículas seleccionadas, assim como a curvatura do trajecto de escoamento, os quais são obtidos a partir da equação de Frenet-Serret. Estimativa da velocidade e turbulência campos 3D em torno do eixo central do jato em um cross-plano situado às dezdiâmetros de jusante do jacto é comparada com a literatura, e o espectro de energia dos movimentos de velocidade streamwise grande escala é obtida a diferentes distâncias radiais do núcleo do jacto.

Uma fotografia e uma representação esquemática da configuração são mostrados nas Figuras 1 e 2. O destino de calibragem, os pontos de referência refletido na visão-splitter e reconstrução de calibração 3D está ilustrada na Figura 3. Os RMS dos alvos de calibração reconhecidos é de 7,3 mm, 5,7 mm e 141,7 mm na x streamwise, spanwise y, e z profundidade direções. O parente mais elevados RMS na z c...

Um sistema tridimensional de rastreamento de partículas velocimetria (3D-PTV) com base em uma câmara de alta velocidade com um divisor de quatro ponto de vista é descrito aqui. A técnica é aplicada a um fluxo de jacto a partir de um tubo circular na vizinhança de dez diâmetros jusante no número de Reynolds Re ≈ 7000.

Tridimensional Velocímetro de Partículas de Rastreamento for Applications Turbulência: Case de um fluxo de Jet

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Os objetivos deste experimento são montar e otimizar um sistema de velocimetria por rastreamento de partículas para aplicações em turbulência e utilizá-lo para estudar o escoamento de jatos. Este método pode ajudar a responder questões fundamentais na área de turbulência usando a descrição lagrangiana do escoamento. A principal vantagem dessas técnicas é a sua capacidade de rastrear um grande conjunto de partículas no tempo e no espaço.Embora este método possa fornecer informações sobre turbulência e referencial lagrangiano, ele pode ser aplicado a outras áreas, como captura de movimento ou rastreamento de movimento. A montagem deste experimento destina-se ao estudo do campo de escoamento intermediário de um jato em tubo. Este tanque cheio de água contém uma calha para criar um jato com diâmetro de um centímetro.Este esquema fornece uma visão geral da montagem antes da adição dos equipamentos para a velocimetria de rastreamento de partículas tridimensional. Para se preparar para o rastreamento de partículas, identifique uma região de estudo, o volume de interrogatório. Neste experimento, trata-se de um cubo com suas faces paralelas às do volume maior e seu ponto mais próximo a 15 centímetros do final do canal.Uma vez escolhido o volume de interrogatório, comece posicionando o espelho principal. O espelho tem formato de pirâmide e está montado em um suporte vertical ao longo do lado do tanque do experimento. Deslize o espelho ao longo do suporte para nivelá-lo com o centro do volume de interrogatório e, em seguida, fixe-o no lugar.Em seguida, instale a câmera atrás do espelho primário. Ajuste o centro da imagem da câmera para coincidir com o centro do espelho primário. Agora, dirija-se ao computador para verificar a conexão com a câmera.Continue configurando a interface entre a câmera e o software de gravação. Comece com a visualização da câmera do espelho primário e seus arredores. Use a configuração de região de interesse do software para ajustar a largura e a altura da visualização da câmera, cobrindo apenas o espelho primário.O próximo passo é colocar um alvo de calibração no tanque para configurar os espelhos secundários. Esse alvo é projetado sob medida para abranger todo o volume de interrogatório. O alvo possui pontos de alvo com um milímetro de diâmetro para calibração.Primeiro, coloque uma plataforma de altura ajustável dentro do tanque para suportar o alvo. Posicione o alvo de calibração sobre a plataforma e oriente-o para ficar voltado para a câmera. Ajuste a altura da plataforma de modo a alinhar o centro do alvo de calibração com o centro do volume de calibração.Prossiga completando o divisor de quatro vistas. Ajuste a posição do espelho primário para que ele capture todo o volume de interrogação. Os espelhos secundários são montados em suportes verticais em ambos os lados do espelho primário.Monte cada espelho secundário de forma que ele esteja aproximadamente alinhado com a visão da câmera a partir do lado mais próximo do espelho primário. Fixe o espelho secundário no lugar. A disposição final deve ser geometricamente simétrica em relação ao espelho primário.Use um ponteiro laser e direcione-o sucessivamente sobre um espelho para visualizar o trajeto da imagem. Faça ajustes finais no espelho secundário utilizando o trajeto do feixe como guia, de modo que a visão englobe todo o alvo de calibração. Repita a visualização do trajeto da imagem e realize ajustes para cada um dos espelhos secundários restantes.Depois que todos os espelhos tiverem sido ajustados, monitore as subimagens da visão da câmera. No computador, observe a visão da câmera das imagens. No divisor de visão, mova um dos espelhos secundários para investigar a sobreposição das subimagens.Se apenas uma visão mudar enquanto o espelho se move, há uma sobreposição desprezível. Com o divisor de quatro vias no lugar, desligue a câmera e prossiga para trabalhar com a iluminação. Posicione as fontes de luz diretamente voltadas para o volume de interrogatório, vindas de cima.Neste experimento, uma lente de aumento é posicionada diretamente abaixo das fontes de luz para intensificar a intensidade luminosa. Ligue as fontes de luz e verifique visualmente se a luz está uniformemente distribuída em todo o volume de análise. Comece a otimizar a configuração retornando ao trabalho com a câmera.Ajuste o foco da lente até que o reflexo através do espelho primário esteja igualmente focado nas quatro vistas dos espelhos secundários. Certifique-se de que as imagens provenientes do divisor de campo sejam simétricas e mostrem o volume de interrogação. Prossiga ajustando o diafragma para conseguir capturar tanto o ponto mais próximo quanto o mais distante no alvo de calibração.A câmera capturará apenas as partículas traçadoras no volume de análise. Neste momento, acesse o software de gravação e defina a taxa de quadros desejada.550 Hertz é utilizado para este experimento. Em seguida, maximize a sensibilidade à luz de acordo com a taxa de quadros escolhida. Agora, prepare-se para capturar imagens de calibração do alvo de calibração.Fixe uma lanterna de LED no tanque diretamente acima do alvo para iluminação. Capture várias imagens do alvo por meio do divisor de quatro vistas para etapas posteriores de calibração. Quando terminar, remova o alvo de calibração, seu suporte e a luz para iniciar o ajuste da iluminação.Prepare uma pequena quantidade de partículas de semeadura para otimizar a iluminação. Pegue um béquer pequeno contendo água e adicione as partículas de semeadura a ele. Aguarde a difusão das partículas.As partículas são esferas cerâmicas ocas de 100 micrômetros revestidas com prata. Despeje a mistura no tanque para auxiliar na otimização da iluminação e das configurações da câmera. Prossiga com as luzes do ambiente apagadas e as fontes de luz acesas.No computador, monitore a visualização ao vivo da câmera do espelho primário e verifique a iluminação em cada vista observando a diferença na densidade de partículas entre as vistas. A geometria deste experimento faz com que os dois espelhos superiores recebam menos luz. No arranjo, corrija isso adicionando um espelho plano abaixo da fonte de luz na parte inferior do tanque.Sob as fontes de luz, esta adição ajuda a reduzir a variação ao longo do campo de visão. Na câmera, ajuste o ganho e os níveis de preto, cada um na faixa de aproximadamente zero a 500. O objetivo é captar melhor a dispersão da luz pelas partículas.Nesta sequência, são comparadas três imagens fixas utilizando diferentes níveis de ganho e preto. Uma configuração de ganho de 300 e uma configuração de preto de 500 foram utilizadas neste experimento. Desligue as fontes de luz e ligue a iluminação do ambiente.No computador, abra o software para velocimetria por rastreamento de partículas. A ideia é carregar uma das imagens de calibração obtidas anteriormente. Use o software para dividir essa imagem em quatro subimagens independentes que correspondam às diferentes vistas do espelho secundário.Salve cada uma dessas subimagens em um arquivo diferente. Cada imagem será usada como se fosse proveniente de uma câmera separada. Prossiga com os passos de calibração utilizando os dados de coordenadas e os procedimentos para múltiplas câmeras.Prepare-se para a coleta de dados ligando as fontes de luz da velocimetria. Em seguida, obtenha as partículas semeadoras e adicione-as ao tanque. Aguarde o desenvolvimento do fluxo em estado estacionário no sistema.Com as luzes do ambiente desligadas, monitore a visualização da câmera para verificar a densidade correta de sementes de partículas, conforme mostrado neste vídeo em câmera lenta do fluxo do jato. Quando estiver satisfeito, grave o número desejado de imagens de fluxo. Após a coleta dos dados, inicie o processamento dos dados dividindo as imagens coletadas em quatro subimagens e armazenando-as.Feito isso, a tela aberta do PTV aparece com opções de menu na parte superior e uma exibição para diferentes vistas da câmera à direita. Vá até a guia inicial nos itens do menu e clique para revelar as opções. Clique em reiniciar imagem para carregar as quatro vistas da câmera da primeira imagem bruta nos dados.Mova o cursor do mouse até o diretório de execução e clique nele. A partir daí, clique em parâmetros principais. Na nova janela, vá até a guia geral.Digite o número de câmeras, neste caso quatro. Continue inserindo os parâmetros nas outras guias. Quando terminar, mova o mouse para clicar no item de menu pré-processamento.Aí, clique no filtro passa-alta. O resultado é intensificar o espalhamento da luz nas quatro imagens. Também no item de menu pré-processamento, localize e clique em detecção de partículas para determinar o centróide de cada partícula detectada.Em seguida, novamente no item de menu pré-processamento, clique em correspondências para estabelecer correspondências estereoscópicas. Depois, vá até o item de menu posições 3D. Nele, selecione posições 3D para determinar a posição tridimensional das partículas detectadas com base na calibração.No item do menu sequência, localize e clique em sequência sem exibição para repetir as etapas de pré-processamento para todas as sequências de imagens coletadas. Agora, insira os parâmetros a serem usados para identificar partículas para rastreamento. Em seguida, selecione o item do menu rastreamento.A partir daí, escolha o rastreamento sem exibição para correlacionar quadros adjacentes. E selecione as partículas detectadas para visualizar as partículas reconstruídas em 3D. Quando o rastreamento estiver concluído, vá até o item de menu rastreamento e selecione-o.Clique em mostrar trajetórias para visualizar as trajetórias em cada vista da câmera. Cada uma das vistas das câmeras agora apresenta as trajetórias das partículas representadas. Além disso, um arquivo de dados foi criado para pós-processamento.Esta é uma amostra de três trajetórias representativas de partículas na região de campo intermediário ao redor do plano a 16 diâmetros do jato da tubulação. Quando a distância em relação ao núcleo do jato é pequena, observam-se trajetórias mais longas no intervalo de tempo de um segundo desses dados. À medida que a distância em relação ao núcleo do jato aumenta, o comprimento da trajetória diminui.Em uma distância três vezes o diâmetro do jato do tubo, as partículas traçadoras exibem trajetórias curtas e complexas. Abaixo estão todas as trajetórias de partículas reconstruídas com sucesso que atravessam o mesmo plano. A distribuição de velocidades varia de zero a 60% da velocidade de saída do jato.Velocidades baixas estão na faixa azul do espectro e velocidades altas estão na faixa vermelha. A análise revela que partículas próximas ao núcleo do jato exibem trajetórias mais suaves. O rastreamento de partículas permite o cálculo da curvatura ao longo da trajetória da partícula.Este é um gráfico da curvatura média multiplicada pelo diâmetro do jato da tubulação versus a distância radial escalonada para dois planos. Um a 16 e outro a 17 diâmetros do jato da tubulação. Ambos aumentam monotonicamente, mas o plano mais distante da saída da tubulação apresenta uma curvatura média reduzida fora do núcleo do jato.Este gráfico fornece informações sobre a distribuição média da velocidade na direção do escoamento dos jatos no plano situado a 16 diâmetros de jato da tubulação além da saída do tubo. Uma vez dominada esta técnica, ela pode ser realizada em seis horas, se executada corretamente, excluindo o tempo de processamento utilizando o software. Ao realizar este procedimento, é importante lembrar-se de garantir uma iluminação uniforme, configurações corretas da câmera e uma quantidade suficiente de partículas semeadoras.Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como configurar o divisor de visão, montar a fonte de luz, controlar os parâmetros da câmera e otimizar o sistema PTV. Após seu desenvolvimento, esta técnica abriu caminho para pesquisadores na área de turbulência explorarem estudos experimentais em dinâmica de fluxo lagrangiana.

three-dimensional-particle-tracking-velocimetry-for-turbulence

Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

Uma técnica para a realização quantitativa imagens tridimensionais (3D) para uma série de fluxos de fluido é apresentado. Usando os conceitos da área de Imagem Light Field, reconstruímos volumes 3D a partir de matrizes de imagens. Os nossos resultados 3D abrangem uma vasta gama, incluindo campos de velocidade e multi-fase distribuições de tamanho de bolha.

Determinar campos de fluxo 3D via multi-câmera de luz do campo de imagem

Velocimetria de imagem de micro-partículas (μPIV) é utilizado para visualizar as imagens de micro partículas emparelhadas semeadas nos fluxos de sangue que são interligado para dar um perfil da velocidade precisa. Taxa de cisalhamento, a velocidade máxima, a forma do perfil de velocidade e taxa de fluxo, cada uma das quais tem aplicações clínicas, podem ser derivadas a partir destas medições.

Micro-partículas Velocimetry Imagem para a velocidade Medidas de fluxos de sangue Micro Perfil

Um procedimento para o estudo de fluxos transitórios perto das fronteiras com alta resolução, de alta velocidade velocimetria por imagem de partículas (PIV) é descrito aqui. PIV é uma técnica de medição não-intrusiva aplicável a qualquer fluxo opticamente acessíveis por meio da otimização vários constrangimentos de parâmetros, tais como as propriedades de imagem e gravação, a folha de propriedades do laser, e algoritmos de análise.

Alta velocidade da partícula Velocimetry Imagem perto de superfícies

Usamos a impressão 3D para fabricar partículas anisotrópicas na forma de macacos, cruzes, tétrades e tríades, cujos alinhamentos e rotações no fluxo turbulento de fluidos podem ser medidos a partir de várias imagens de vídeo simultâneas.

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

O manuscrito apresenta um protocolo para a condução de experimentos de transporte de sedimentos de carga de cama onde as partículas em movimento são rastreadas por análise de imagem. A facilidade experimental, os procedimentos para execução de execução e processamento de dados e, finalmente, alguns resultados de prova de conceito são apresentados aqui.

Rastreamento de partículas Lagrangian baseado em imagem em experiências de carga de cama

Aqui, apresentamos um protocolo para observar os fluxos vortical instáveis sobre uma asa delta utilizando uma técnica de visualização de fluxo de fumaça modificados e investigar o mecanismo responsável por oscilações dos locais de avaria vórtice de ponta.

Investigação experimental da estrutura de fluxo ao longo de uma Asa Delta através de métodos de visualização de fluxo

A técnica descrita neste documento oferece um método de baixo custo e relativamente simples para medir simultaneamente a cinemática da partícula e a turbulência dos fluxos com concentrações de partículas de baixa. A turbulência é medida usando Velocimetria por imagem (PIV) e cinemática da partícula são calculados a partir de imagens obtidas com uma câmera de alta velocidade em um campo de visão sobreposto.

Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas

Um eco partícula imagem velocimetria sistema (EPIV) capaz de adquirir bidimensionais campos de velocidade em fluidos opacos opticamente ou através de geometrias opticamente opacas é descrita, e as medições de validação no fluxo do tubo são relatados.

Echo Velocimetria por Imagem de Partículas

A vaporização de um processo de componentes sacrificial (Vasc) é usado para o fabrico de estruturas microvasculares. Este procedimento utiliza fibras de poli (ácido láctico sacrificiais) para formar microcanais oco com posicionamento preciso geométrica 3D fornecido por placas de guia de microfabricação laser.

Processo de fabricação de microestruturas tridimensionais usando vaporização de um componente sacrificial

Uma célula de cisalhamento é desenvolvido para medições de pequeno ângulo de dispersão de neutrões no plano gradiente de velocidade da velocidade de cisalhamento e é usada para caracterizar os fluidos complexos. Medições espacialmente resolvidos na direção gradiente de velocidade são possíveis para o estudo de materiais de bandas de cisalhamento. As aplicações incluem investigações de dispersões coloidais, as soluções de polímero, e as estruturas de auto-montagem.

Medição de materiais Microstructure Sob fluxo Usando 1-2 Plane Fluxo-Small Angle Neutron Scattering

Aprenda a configurar e otimizar um sistema de velocimetria por rastreamento de partículas 3D para estudos de turbulência em jatos circulares. Esta técnica permite analisar o campo de fluxo intermediário com câmera de alta velocidade.

Tridimensional Velocímetro de Partículas de Rastreamento for Applications Turbulência: Case de um fluxo de Jet

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