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

Os objetivos deste experimento são configurar e otimizar um sistema de velocimetria de rastreamento de partículas para aplicações de turbulência e usá-lo para estudar o fluxo de jato. Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo de turbulência usando a descrição lagrangeana do fluxo. A principal vantagem dessas técnicas é sua capacidade de rastrear um grande conjunto de partículas no tempo e no espaço.

Embora esse método possa fornecer informações sobre uma turbulência e um quadro de referência lagrangeano, ele pode ser aplicado a outras aplicações, como captura de movimento ou rastreamento de movimento. A configuração para este experimento é para o estudo do campo de fluxo intermediário de um jato de tubo. Este tanque cheio de água tem dentro dele uma calha para criar um jato com o diâmetro de um centímetro.

Este esquema fornece uma visão geral da configuração antes da adição de equipamento para velocimetria de rastreamento de partículas tridimensionais. Para se preparar para o rastreamento de partículas, identifique uma região de estudo, o volume de interrogação. Neste experimento, é um cubo com suas faces paralelas às do maior volume e seu ponto mais próximo a 15 centímetros da extremidade da calha.

Uma vez escolhido o volume de interrogação, comece posicionando o espelho primário. O espelho é em forma de pirâmide e montado em um poste de montagem vertical ao longo da lateral do tanque experimental. Deslize o espelho ao longo do poste para nivelá-lo com o centro do volume de interrogatório e fixe-o no lugar.

Em seguida, monte a câmera atrás do espelho primário. Defina o centro da imagem da câmera para coincidir com o centro do espelho primário. Agora, vá para o computador para verificar sua conexão com a câmera.

Continue configurando a interface entre a câmera e o software de gravação. Comece com a visão 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 câmera view para cobrir apenas o espelho primário.

O próximo passo é colocar um alvo de calibração no tanque para configurar os espelhos secundários. Esse alvo é personalizado para abranger todo o volume de interrogatório. O alvo tem pontos alvo de um milímetro de diâmetro para calibração.

Primeiro, coloque uma plataforma de altura ajustável no tanque para apoiar o alvo. Posicione o alvo de calibração na plataforma e oriente-o para a câmera. Ajuste a altura da plataforma de modo a combinar 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 o volume total de interrogação. Os espelhos secundários são montados em postes de montagem verticais em ambos os lados do espelho primário.

Monte cada espelho secundário de forma que fique aproximadamente alinhado com a visão da câmera do lado mais próximo do espelho primário. Prenda o espelho secundário no lugar. O arranjo final deve ser geometricamente simétrico em relação ao espelho primário.

Use um ponteiro laser e direcione-o para um espelho para visualizar o caminho da imagem. Faça os ajustes finais no espelho secundário usando o caminho do feixe como guia para que a visão abranja todo o alvo de calibração. Repita a visualização do caminho da imagem e faça ajustes para cada um dos espelhos secundários restantes.

Depois de todos os espelhos terem sido ajustados, monitorize as sub-imagens da vista da câmara. No computador, observe a câmera view das imagens. No divisor de vista, mova um dos espelhos secundários para investigar a sobreposição de subimagem.

Se apenas uma visão muda à medida que o espelho se move, há uma sobreposição insignificante. Com o divisor de quatro vias no lugar, desligue a câmera e passe a trabalhar com a iluminação. Coloque as fontes de luz diretamente voltadas para o volume de interrogação de cima.

Neste experimento, uma lente de aumento é colocada em posição diretamente sob as fontes de luz para aumentar a intensidade da luz. Ligue as fontes de luz e verifique visualmente se a luz está distribuída uniformemente por todo o volume de interrogatório. Comece a otimizar a configuração voltando ao trabalho com a câmera.

Ajuste o foco da lente até que o reflexo através do espelho primário seja igualmente focado em todas as quatro vistas dos espelhos secundários. Certifique-se de que as imagens do divisor de exibição sejam simétricas e mostrem o volume de interrogação. Passe para ajustar o f-stop para poder capturar o ponto mais próximo e mais distante no alvo de calibração.

A câmera só capturará partículas traçadoras no volume de interrogação. Neste ponto, vá para o software de gravação. Defina a taxa de quadros desejada.

550 Hertz é usado para este experimento. Em seguida, maximize a sensibilidade à luz de acordo com a taxa de quadros escolhida. Agora, prepare-se para tirar imagens de calibração do alvo de calibração.

Conecte uma lanterna LED ao tanque diretamente acima do alvo para iluminação. Capture várias imagens do alvo por meio do divisor de quatro visualizações para etapas de calibração posteriores. Quando terminar, remova o alvo de calibração, seu suporte e a luz para começar a ajustar a iluminação.

Prepare uma pequena quantidade de partículas de semeadura para otimizar a iluminação. Pegue um pequeno copo contendo água e adicione as partículas de semeadura a ele. Aguarde até que as partículas se difundam.

As partículas são esferas ocas de cerâmica revestidas de prata de 100 micrômetros. Despeje a mistura no tanque para ajudar a otimizar a iluminação e as configurações da câmera. Continue com as luzes da sala apagadas e as fontes de luz acesas.

No computador, monitore a câmera ao vivo view do espelho primário e verifique a iluminação em cada view observando a diferença de densidade de partículas entre as vistas. A geometria neste experimento faz com que os dois espelhos superiores recebam menos luz. Na configuração, corrija isso adicionando um espelho plano abaixo da fonte de luz no fundo do tanque.

Sob as fontes de luz, essa adição ajuda a reduzir a variação na visualização. Na câmera, ajuste o ganho e os níveis de preto, cada um na faixa de cerca de zero a 500. O objetivo é capturar melhor a dispersão da luz das partículas.

Nesta sequência, três fotos usando diferentes níveis de ganho e preto são comparadas. Uma configuração de ganho de 300 e uma configuração de preto de 500 foram usadas neste experimento. Desligue as fontes de luz e acenda a iluminação da sala.

No computador, abra o software para rastreamento de velocimetria de partículas. A ideia é carregar uma das imagens de calibração tiradas anteriormente. Use o software para dividir esta imagem em quatro sub-imagens independentes que correspondem às diferentes vistas espelhadas secundárias.

Salve cada uma dessas subimagens em um arquivo diferente. Cada imagem será usada como se fosse de uma câmera separada. Prossiga com as etapas de calibração usando dados de coordenadas e etapas para várias câmeras.

Prepare-se para a coleta de dados ligando as fontes de luz de velocimetria. Em seguida, pegue as partículas de semeadura e adicione-as ao tanque. Aguarde o fluxo de estado estacionário se desenvolver no sistema.

Com as luzes da sala apagadas, monitore a visão da câmera para verificar a densidade correta de semeadura de partículas, como neste vídeo lento do fluxo de jato. Quando estiver satisfeito, registre o número desejado de imagens de fluxo. Após a coleta dos dados, inicie o processamento de dados dividindo as imagens coletadas em quatro subimagens e armazenando-as.

Feito isso, a tela PTV aberta aparece com opções de menu na parte superior e uma tela para diferentes visualizações de câmera à direita. Vá para a guia Iniciar nos itens do menu e clique para revelar as opções. Clique em reiniciar a imagem para carregar as quatro visualizações de câmera da primeira imagem raw nos dados.

Mova o cursor do mouse para o diretório de execução e clique nele. A partir daí, clique em parâmetros principais. Na nova janela, vá para a guia geral.

Insira o número de câmeras, neste caso quatro. Continue inserindo parâmetros nas outras guias. Quando terminar, mova o mouse para clicar no item de menu de pré-processamento.

Lá, clique no filtro passa-altas. O resultado é intensificar a dispersão da luz nas quatro imagens. Também no item de menu de pré-processamento, localize e clique em detecção de partículas para determinar o centróide de cada partícula detectada.

Em seguida, novamente no item de menu de pré-processamento, clique em correspondências para estabelecer correspondências estereoscópicas. Em seguida, vá para o item de menu Posições 3D. Abaixo dele, selecione as posições 3D para determinar a posição tridimensional das partículas detectadas com base na calibração.

No item de menu de 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. Continue selecionando o item de menu de rastreamento.

A partir daí, escolha o rastreamento sem exibição para correlacionar quadros adjacentes. E escolha as partículas detectadas para visualizar partículas reconstruídas em 3D. Quando o rastreamento estiver concluído, vá para o item de menu de rastreamento e selecione-o.

Clique em mostrar trajetórias para visualizar as trajetórias em cada visualização da câmera. Cada uma das visualizações da câmera agora tem as trajetórias das partículas representadas. Além disso, um arquivo de dados foi criado para pós-processamento.

Esta é uma amostra de três trajetórias de partículas representativas na região do campo intermediário ao redor do plano a 16 vezes o diâmetro do jato do tubo. Quando a distância do núcleo do jato é pequena, trajetórias mais longas são observadas no intervalo de tempo de um segundo desses dados. À medida que a distância do núcleo do jato aumenta, o comprimento da trajetória diminui.

Com três vezes o diâmetro do jato do tubo, as partículas traçadoras exibem trajetórias curtas e complexas. Aqui estão todas as trajetórias de partículas reconstruídas com sucesso que cruzam o mesmo plano. A distribuição das velocidades varia de zero a 60% da velocidade de saída do jato.

As baixas velocidades estão na faixa azul do espectro e as altas velocidades estão na faixa vermelha. A análise revela que as 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 vezes o diâmetro do jato do tubo versus a distância radial escalada para dois planos. Um em 16 e outro em 17 diâmetros de jato de tubo. Ambos aumentam monotonicamente, mas o plano mais distante da saída do tubo tem uma curvatura média reduzida fora do núcleo do jato.

Este gráfico fornece informações sobre a distribuição média da velocidade do fluxo dos jatos nos 16 diâmetros de jato de tubo do avião além da saída do tubo. Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em seis horas se for executada corretamente, excluindo o tempo de processamento usando o software. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de ter iluminação uniforme, configurações corretas da câmera e uma quantidade suficiente de partículas de semeadura.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter um bom entendimento 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, essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo da turbulência explorarem estudos experimentais em dinâmica de fluxo lagrangeano.