Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas
12 de março de 2019
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.
Numerosos campos em engenharia e ciências naturais envolvem problemas associados à interação de partículas fluidas. Este método fornece uma medição óptica simultânea relativamente baixa e não intrusiva de trajetórias de partículas e velocidades de fluxo. Aqui medimos as velocidades de assentamento de partículas de sedimentos em um fluxo turbulento, permitindo a caracterização detalhada das trajetórias de partículas enquanto medimos simultaneamente velocidades turbulentas no mesmo local.
Para iniciar a configuração da velocimetria da imagem de partículas, fixe um laser de pulso de alta intensidade de cabeça dupla horizontalmente nivelado em uma placa óptica, de acordo com a instalação de fluxo. Coloque uma lente cilíndrica em linha com o laser para produzir um plano de luz 2D que estará abaixo da grade oscilante. Em seguida, monte uma lente esférica após a lente cilíndrica a uma distância que irá gerar uma folha de luz de 5 a um milímetro de espessura.
Em seguida, coloque uma câmera CCD de dupla exposição perpendicular à folha de luz para gravar imagens para PIV. Conecte uma lente à câmera, ligue-a e ajuste-a para o modo livre e contínuo. Concentre-se grosseiramente na câmera PIV na turbulenta instalação de fluxo.
Ajuste a abertura e a posição da câmera até que a imagem seja menor ou próxima dos limites da folha de luz desejada. Em seguida, desligue a câmera e ligue o laser em baixa intensidade. Confirme se a folha de luz é perpendicular ao chão e, em seguida, coloque um alvo de calibração marcado com uma grade precisamente no centro da folha de luz.
É essencial garantir que a câmera PIV seja perpendicular à folha de luz e que a folha de luz seja perpendicular ao chão ou ao fundo da instalação. O desalinhamento resulta em projeções de velocidade incorretas e, portanto, erro de velocidade de fluido. Desligue o laser e ligue a câmera de volta.
Concentre a câmera no alvo de calibração e capture uma única imagem. Abra a imagem no software de processamento de imagens e confirme que o espaçamento da linha, altura e coluna são consistentes em todo o alvo. Os tamanhos dos marcadores de canto devem diferir por não mais do que um pixel e, idealmente, eles devem ser idênticos.
Se a imagem atender a esses critérios, remova o alvo de calibração. Instale a grade e execute a instalação. Em seguida, introduza cerca de uma colher de sopa cheia de partículas de rastreador PIV para o fluido.
Espere até que os rastreadores e fluido estejam bem misturados antes de continuar. Em seguida, ligue o laser e coloque-o em controle externo e alta potência. Desligue as luzes da sala e capture um par de imagens para avaliar a densidade do rastreador.
Aumente gradualmente a concentração do rastreador por colheres de chá para a densidade visual desejada. Em seguida, defina a taxa de quadros da câmera PIV para o maior valor possível e defina o tempo entre imagens PIV consecutivas. Confirme se o laser está configurado adequadamente.
Em seguida, desligue as luzes e colete dados no modo livre por alguns segundos. Cross correlaciona os pares de imagens e confirma que os dados adquiridos são de boa qualidade. Pare a oscilação da grade quando terminar.
Para começar a configurar o rastreamento de partículas 2D, coloque uma luz de linha LED monocromática sob a instalação da grade de oscilação para que a folha de luz seja centrada dentro da linha LED. Ligue a luz da linha LED e o laser em baixa potência. Confirme se a folha de luz e a luz da linha estão bem alinhadas e, em seguida, desligue-as.
Em seguida, conecte uma lente a uma câmera de alta velocidade CMOS para ser usada para rastreamento de partículas. Ligue a câmera no modo contínuo ou ao vivo gratuito, e concentre-a grosseiramente na região de interesse. Ajuste a altura e distância da abertura da câmera de rastreamento de partículas até que a região de interesse esteja com seu campo de visão e a câmera esteja nivelada e perpendicular à luz da linha.
Desligue a câmera. Acenda a luz da linha e coloque o alvo de calibração no centro da luz da linha. Em seguida, desligue a luz da linha, ligue a câmera e concentre-a no alvo.
Capture uma imagem do alvo de calibração e confirme que a câmera de rastreamento de partículas está nivelada, perpendicular ao alvo e em foco sem distorção de imagem nas bordas. Remova o alvo de calibração depois. Em seguida, defina o número de imagens de alta velocidade a serem coletadas.
Com base na velocidade de partículas esperada, defina a taxa de quadros e a resolução para valores que devem alcançar o deslocamento de partículas de três a 10 pixels entre as imagens. Instale a grade, ligue a luz da linha LED e escureça a sala. Inicie a oscilação da rede e introduza uma pequena porção das partículas de interesse no fluxo.
Quando as partículas aparecerem na câmera de alta velocidade, capture alguns quadros. É importante que as faixas de partículas sejam claramente visíveis nas imagens, indicando que as partículas permanecem em plano e não se sobrepõem frequentemente. O não cumprimento desses critérios resultará em uma incapacidade de rastrear com precisão as partículas.
Confirme que não há efeitos de entrada visíveis, a sobreposição de partículas é pouco frequente, e o movimento das partículas está principalmente no plano. Pare a oscilação quando terminar. Para iniciar a calibração final, com as luzes escurecidas coloque o alvo de calibração dentro das folhas de led e luz laser.
Desligue o laser e o LED e acenda as luzes da sala. Certifique-se de que o alvo de calibração está em foco dentro dos FOVs da câmera, e tem uma marca única visível para ambas as câmeras. Capture uma imagem do alvo de calibração em ambas as câmeras.
Observe as colocações relevantes da marca única e confirme que as câmeras ainda estão niveladas e não mostram nenhuma distorção ao redor das bordas. Em seguida, remova o alvo de calibração, instale a grade e inicie a oscilação. Deixe-o funcionar por pelo menos 20 minutos para permitir que o fluxo chegue a um estado estável.
Em seguida, escureça a sala, ligue a luz da linha LED e introduza as partículas no fluxo. Iniciar simultaneamente os pulsos de laser e a aquisição de imagens para ambos os sistemas quando as partículas aparecerem na câmera de rastreamento de partículas FOV. Quando a aquisição de dados tiver terminado, salve as imagens e pare a oscilação da grade.
Analise a distribuição da velocidade do fluxo e as trajetórias de partículas. As imagens PIV podem ser processadas em distribuições instantâneas de velocidade e vorticidade de fluidos. Aqui a distribuição de vetor de velocidade de fluido é sobreposta em um mapa de cores de vorticidade.
Com esta configuração, a magnitude da média espacial da raiz média flutuação de velocidade de fluido quadrado sobre o campo de visão PIV deve aumentar com a frequência de oscilação para componentes de velocidade horizontal e vertical. Trajetórias de partículas e velocidades podem ser determinadas a partir das imagens de rastreamento de partículas de alta velocidade. A distribuição de velocidades de partículas deve ser aproximadamente gaussiana.
Aqui, partículas de formas irregulares maiores geralmente mostravam distribuições de velocidade de partículas com desvios padrão maiores do que os das partículas menores e esféricas. Embora ambos os conjuntos de partículas mostrassem distribuições com velocidades verticais médias maiores e desvios padrão maiores à medida que a taxa de oscilação da rede aumentava. O fluxo estagnado estabelecendo velocidades de partículas sintéticas, areia industrial e areia coletada localmente determinada a partir de suas trajetórias de partículas, tudo aproximadamente acordado com as curvas dietrich.
A tendência de as partículas que se estabelecem velocidades para aumentar com a frequência de oscilação da rede foi explorada ainda mais na análise subsequente. A medição óptica simultânea tanto da cinética de partículas quanto da dinâmica dos fluidos, especificamente a turbulência, é desafiadora devido ao potencial de interferência entre as duas técnicas de imagem, resultando em imprecisões de medição. Fluxos fortemente tridimensionais não são adequados para esta técnica, pois fora dos movimentos do plano produzirá erros tanto no rastreamento 2D quanto na análise de velocimetria de partículas.
A concentração de partículas rastreadas deve ser relativamente baixa para maximizar a confiança de que a mesma partícula está sendo rastreada em imagens consecutivas. Além disso, os rastreadores PIV e as partículas que estão sendo rastreadas devem ser suficientemente diferentes em tamanho para distingui-los. A integração das informações de velocidade de fluxo com a trajetória da partícula depende do que está sendo investigado.
Por exemplo, este método também pode examinar as velocidades de fluxo em instâncias específicas ao longo da trajetória da partícula. Essa técnica foi demonstrada com transporte de sedimentos, um aplicativo para ciências do movimento, mas é relevante em muitas aplicações onde o fluxo de fluidos interage com partículas naturais ou artificiais.
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Visão Geral
Este artigo apresenta um método de baixo custo para medir simultaneamente a cinemática de partículas e a turbulência em fluxos com baixa concentração de partículas. Utilizando a velocimetria por imagem de partículas (PIV) e a captura de imagens com câmera de alta velocidade, a técnica permite uma análise detalhada do comportamento de partículas sedimentares em ambientes turbulentos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Dinâmica dos fluidos
- Física de partículas
- Técnicas de medição óptica
Contexto
- As interações entre partículas fluidas são fundamentais em diversas áreas científicas.
- Compreender as trajetórias das partículas e as velocidades do fluxo é essencial para caracterizar o comportamento do sedimento.
- Os métodos tradicionais podem ser invasivos ou onerosos.
- Este método oferece uma alternativa não invasiva para medições simultâneas.
Objetivo do Estudo
- Medir as velocidades de sedimentação de partículas em fluxos turbulentos.
- Caracterizar as trajetórias das partículas enquanto se medem as velocidades turbulentas.
- Fornecer uma técnica de medição eficiente e de baixo custo.
Métodos Utilizados
- Configuração de um laser pulsado de alta intensidade com cabeçote duplo para medições ópticas.
- Uso de uma lente cilíndrica para criar um plano bidimensional de luz.
- Montagem de uma lente esférica para gerar uma folha de luz.
- Aplicação da velocimetria por imagem de partículas (PIV) para coleta de dados.
Resultados Principais
- Medição bem-sucedida de trajetórias de partículas em fluxo turbulento.
- Medição simultânea de velocidades turbulentas na mesma localização.
- Demonstração da eficácia do método em cenários com baixa concentração de partículas.
- Oferecimento de caracterização detalhada do comportamento de sedimentos.
Conclusões
- O método fornece uma abordagem confiável para o estudo das interações fluido-partícula.
- Ele aprimora a compreensão da dinâmica de sedimentos em ambientes turbulentos.
- A técnica pode ser aplicada em diversas disciplinas científicas.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Compreender as interações fluido-partícula é essencial para prever o transporte de contaminantes, otimizar o desempenho de biorreatores e avaliar o comportamento de partículas em ambientes fluidos complexos. Este método permite a medição simultânea e não intrusiva da turbulência e da cinemática das partículas, fornecendo dados de alta fidelidade para a redução de riscos mecanicistas no desenvolvimento inicial de processos. Ao fornecer dados quantitativos e correlacionados sobre o fluxo e as trajetórias, ele reforça a confiabilidade preditiva em sistemas nos quais fluxos carregados de partículas influenciam a qualidade, o rendimento ou a segurança do produto.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar como microambientes turbulentos afetam o movimento de partículas, apoiando testes de hipóteses em modelos de interação fluido-partícula.
- Valor Operacional: Oferece uma plataforma de baixo custo e reutilizável para validar o comportamento de partículas sob condições hidrodinâmicas controladas, sem perturbar o sistema.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Valor Científico: Gera leituras padronizadas e simultâneas de campos de velocidade do fluido e trajetórias de partículas para condições de ensaio reprodutíveis.
- Valor Operacional: Facilita a otimização da semeadura de partículas e dos parâmetros de imagem para garantir a qualidade dos dados em ensaios replicados.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Apoia a modelagem relevante para doenças do transporte de partículas em fluxos fisiológicos, como aerossóis inalados ou microcarreadores intravenosos.
- Valor Operacional: Permite considerações de ampliação ao caracterizar a resposta das partículas à turbulência em diferentes regimes de fluxo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra a fluxos de trabalho de descoberta nos quais a dinâmica dos fluidos afeta sistemas baseados em partículas, orientando decisões desde a triagem inicial de hipóteses até a estabilidade da formulação pré-clínica.
- Biologia Descoberta: Apoia a desativação mecanicista ao quantificar como a turbulência do fluxo influencia a dispersão, sedimentação ou agregação de partículas.
- Triagem: Fornece saídas quantitativas e correlacionadas (vetores de velocidade e deslocamento de partículas) que permitem a comparação de condições e a seleção de resultados positivos.
- Análises: Fornece flutuações da velocidade do fluido em termos de raiz média quadrática e distribuições de velocidade de partículas como parâmetros mensuráveis para comparação estatística.
- Pesquisa Translacional: Conecta a caracterização de fluxo em escala laboratorial à relevância pré-clínica em sistemas como entrega pulmonar ou formação de biofilmes.
- Reutilização Corporativa: Representa uma capacidade óptica modular adaptável a diversos estudos de fluxos carregados de partículas em diferentes projetos.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista em sistemas fluido-partícula por meio da observação direta e simultânea do escoamento e do movimento.
- Valor Operacional: Garante reprodutibilidade por meio do alinhamento padronizado da lâmina de luz e da desacoplamento da taxa de quadros, minimizando a contaminação da imagem.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguir/não prosseguir ao fornecer dados precoces e preditivos sobre o comportamento das partículas sob estresse turbulento.
- Impacto no Portfólio: Permite o avanço ajustado ao risco de formulações particuladas com base no desempenho hidrodinâmico validado empiricamente.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em técnicas de medição de fluxo óptico e rastreamento de partículas.
- Exige sincronização de câmeras duplas, iluminação com laser pulsado e infraestrutura de imageamento de alta velocidade.
- Exige padronização entre equipes para protocolos de PIV e rastreamento de partículas, a fim de garantir a comparabilidade dos dados.
- Limitado a fluxos quase bidimensionais; o movimento fora do plano introduz erros de medição.
- É eficaz apenas quando as partículas rastreadas são significativamente maiores que os traçadores de PIV e estão presentes em baixa concentração para evitar sobreposição.
