Name: Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: Aprenda a medir simultaneamente a turbulência e a cinemática das partículas usando PIV e câmeras de alta velocidade. Esta técnica não intrusiva permite analisar trajetórias de sedimentos em fluxos turbulentos com baixo custo.

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Partes deste trabalho foram apoiados pela Fundação de II-VI e a concessão de aprimoramento profissional Carolina costeiras. Também gostaríamos de reconhecer Corrine Jacobs, Marek Jendrassak e William Merchant para ajudarem com a instalação experimental.

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</ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

O método descrito neste documento é relativamente barato e fornece uma maneira simples de medir simultaneamente as trajetórias de partículas e turbulência para examinar a influência do fluxo na cinemática da partícula. É digno de nota para mencionar que os fluxos ou movimentos de partículas que são fortemente tridimensionais não são well-suited para esta técnica. O movimento fora-de-avião irá resultar em erros17 em 2D acompanhamento e a análise PIV e deve ser minimizado. Além disso, o método reque...

Existem um grande número de aplicações em campos científicos e de engenharia que envolvem o comportamento de partículas em escoamentos turbulentos, por exemplo, de aerossóis na atmosfera, contaminantes e/ou sedimentos em sistemas projetados e da Marinha micro-organismos ou sedimentos no oceano1,2,3. Em tais aplicações, muitas vezes é de interesse de entender como as partículas respondem a turbulência, que exige medida simultânea da cinemática da partícula e a dinâmica dos fluidos.
Tecnologias existentes para medir os movimentos de partículas, chamados partícula de rastreamento (PT), que rastreia as trajetórias das partículas individuais e a técnica estatística de particle image velocimetry4,5 (PIV), usado para medir o fluxo velocidades, ambos incorporam técnicas ópticas não-intrusiva. O principal desafio na utilização destas técnicas ópticas não-intrusiva para medir o fluxo e a partícula cinemática simultaneamente é a iluminação separada exigida para cada técnica de imagem que não pode interferir com do outro medição (precisão por exemplo, a fonte de iluminação para medir a cinemática da partícula não pode atuar como uma fonte significativa de ruído na medição da velocidade do fluido e vice-versa). O contraste da imagem em ambos os conjuntos de imagens deve ser suficiente para obter resultados fiáveis. Por exemplo, as imagens de PT são convertidas em imagens em preto e branco a fim de realizar uma análise de blob para determinar as posições das partículas; assim, o contraste insuficiente leva a erros na posição da partícula. Contraste pobre em quantidades de imagens PIV para uma baixa relação sinal-ruído que causará imprecisões na estimativa das velocidades da fluido.
Aqui, um método relativamente simples e baixo custo para medir simultaneamente ambas as velocidades de cinemática e fluxo da partícula é descrito. Através da utilização de uma luz monocromática de alta potência, emitindo luz, linha de diodo (LED) onde a linha refere-se à abertura de luz e dual-cabeça do laser de alta intensidade, ambas as partículas de interesse e o campo de fluxo são fotografadas na mesma região, simultaneamente. A alta potência do LED é suficiente para a imagem das partículas (rastreadas) pela câmera de alta velocidade, mas não afeta as imagens PIV, porque a intensidade da luz espalhada de traçadores PIV é muito baixa. Quando o laser de alta intensidade dupla-cabeça acende-se o campo de fluxo para as imagens PIV, ocorre durante um curto intervalo de tempo, e essas imagens são facilmente identificadas e retiradas da série de tempo obtida pela câmera de alta velocidade PT, quando eles são registrados. PIV laser pulsos gravados na época de imagem de alta velocidade (usada para rastreamento de partícula) série pode ser minimizado pela não execução dos dois sistemas em taxas de aquisição de quadros que são proporcionais entre si. Em configurações mais avançadas, um poderia provocar externamente os PT e PIV câmeras com um atraso que iria garantir que isso não acontece. Finalmente, por consideração cuidadosa da quantidade de partículas sendo controladas dentro do PIV campo de visão (FOV), quaisquer erros introduzidos por essas partículas controladas na análise de correlação de imagens PIV são já tidos em conta pela estimativa de erro global, incluindo erros associados com a distribuição de tamanho não-uniforme dos marcadores PIV dentro da janela de interrogatório. A grande maioria do PIV semeadura marcadores está seguindo o fluxo, produzindo estimativas de velocidade de fluxo precisa. Estas técnicas permitem a medição directa simultânea de ambas as partículas cinemática e fluxo de campo em um plano bidimensional.
Essa técnica é demonstrada por aplicá-lo para determinar a partícula se estabelecer características em um fluxo turbulento, semelhante ao utilizado em estudos por Yang e tímido6 e Jacobs et al 7. partícula liquidação é o estágio final no transporte de sedimentos, que geralmente consiste em suspensão de sedimentos, transporte e sedimentação. Na maioria dos estudos anteriores que abordaram a partícula, fixando-se em escoamentos turbulentos, ou trajetórias de partículas ou turbulentas velocidades não são medidas diretamente, mas deduzido teoricamente ou modelado8,9,10. Detalhes sobre as interações entre partículas e turbulência mais frequentemente foram investigados usando modelos teóricos e numéricos devido às limitações experimentais em medir ambos simultaneamente6,11. Apresentamos um estudo de caso de interação de partículas-turbulência em uma instalação de grade oscilante, onde estudamos a velocidade de sedimentação de partículas e seu acoplamento com turbulência. Para maior clareza, doravante nos referiremos às partículas sob investigação como "partículas" e as partículas de propagação utilizadas para a técnica PIV como "marcadores"; Além disso, vamos nos referir a da câmera usada para o tratamento de imagens de alta velocidade das trajectórias de partículas como o "rastreamento de partículas", "PT" ou "alta velocidade" câmera, que mede a câmera usado para o método PIV a "câmera PIV" e "imagens de alta velocidade", que medidas de "imagens". O método aqui descrito permite a medição simultânea de partículas cinemática e dinâmica dos fluidos em um campo pré-definido de interesse dentro da instalação. Os dados obtidos fornecem uma descrição bidimensional da interação das partículas-turbulência.

<table><tbody><tr><td>Lentes ópticas</td><td>CVI LASER OPTICS</td><td>Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV</td><td>Outras empresas ópticas são aceitáveis. Lentes esféricas e ciclíndricas para geração de folha de luz PIV.</td></tr><tr><td>Lente da câmera para PIV</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2D</td><td>Outras empresas de lentes de câmera são aceitáveis. Lente da câmera para imagens PIV.</td></tr><tr><td>Lente da câmera para Nikon</td><td></td><td>Nikkor 50mm f/1.8D</td> de alta velocidade <td>Outras empresas de lentes de câmera são aceitáveis. Lente da câmera para imagens de alta velocidade.</td></tr><tr><td>Laser pulsado de cabeça dupla</td><td>Quantel</td><td>EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz</td><td>Outras empresas de laser são aceitáveis. Laser pulsado de cabeça dupla para PIV: Nd: YAG</td></tr><tr><td>Luz de linha LED</td><td>Gardasoft Vision, Ltd.</td><td>VLX2 LED Line Lighting - Verde - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04</td><td>Outras empresas são aceitáveis. Luz de linha para LED.</td></tr><tr><td>Partículas/traçadores de semeadura PIV</td><td>Esferas de vidro ocas esféricas da Potters Industries: diâmetro médio de 11 mm</td><td></td><td>Outras empresas são aceitáveis. Câmera de correlação cruzada CCD de partículas de semeadura PIV</td></tr><tr><td></td><td>TSI, Inc.</td><td>POWERVIEW 11M: CCD, dupla exposição, 4008x2672 pixels @ 4,2 Hz com faixa dinâmica de 12 bits</td><td>Outras empresas são aceitáveis. Câmera CCD de dupla exposição para imagens PIV.</td></tr><tr><td>Câmera de alta velocidade</td><td>Photron</td><td>FASTCAM SA3; Modelo 60K: 1024x1024 pixels @ 1kHz</td><td>Outras empresas são aceitáveis. Câmera CMOS para imagens de alta velocidade.</td></tr><tr><td>Sincronizador</td><td>TSI, Inc.</td><td>SINCRONIZADOR DE PULSO LASER 610036</td><td>Outras empresas são aceitáveis. Sincronize a aquisição da câmera PIV e do laser.</td></tr><tr><td>Alvo de calibração</td><td>TSI, Inc.</td><td></td><td>Outras empresas são aceitáveis. Alvo de precisão para calibração de imagem.</td></tr></tbody></table>

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

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Inúmeros problemas em campos científicos e de engenharia envolvem compreensão da cinemática das partículas em escoamentos turbulentos, como contaminantes, micro-organismos marinhos, e/ou sedimentos no oceano, ou reatores de leito fluidizado e processos de combustão em sistemas projetados. Para estudar o efeito da turbulência sobre a cinemática das partículas em tais fluxos, medições simultâneas de cinemática o fluxo e a partícula são necessárias. Existem técnicas de medição de fluxo não-intrusivo, óptico para medição de turbulência, ou para acompanhamento de partículas, mas ambos simultaneamente de medição pode ser desafiador devido à interferência entre as técnicas. O método apresentado neste documento fornece um método de baixo custo e relativamente simples para fazer medições simultâneas de cinemática o fluxo e a partícula. Uma seção transversal do fluxo é medida usando uma técnica de Velocimetria (PIV) partícula imagem, que fornece duas componentes de velocidade no plano de medição. Esta técnica utiliza um laser pulsado para a iluminação do campo semeado de fluxo que é fotografado por uma câmera digital. A cinemática da partícula são simultaneamente fotografada usando uma luz emitindo luz de diodo (LED) linha que ilumina uma seção transversal planar do fluxo que se sobrepõe com o PIV campo de visão (FOV). A luz de linha é de poder baixa o suficiente, que não afeta as medições de PIV, mas poderoso o suficiente para iluminar as partículas maiores de interesse fotografada usando a câmera de alta velocidade. Imagens de alta velocidade que contêm os pulsos de laser de técnica PIV são facilmente filtradas, examinando o nível de intensidade somados de cada imagem de alta velocidade. A taxa de quadros da câmera de alta velocidade, tornando desproporcionadas com que a taxa de quadros de câmera PIV, o número de contaminados quadros da série de tempo de alta velocidade pode ser minimizado. A técnica destina-se a média dos fluxos que são predominantemente bidimensionais, conter partículas que são pelo menos 5 vezes o diâmetro médio do PIV semeadura traçadores e baixa concentração.

Um esquema da instalação experimental é mostrado na Figura 1. A figura mostra o arranjo das folhas de luz (LED e laser), a sobreposição nos FOVs e a posição dos FOVs em relação a grade oscilante e paredes do tanque. A turbulência e as partículas são medidas simultaneamente, conforme descrito na seção de protocolo. A Figura 2 mostra os resultados do exemplo das medições de velocidade instantânea e vorticidade juntamente com as tra...

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

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

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 t

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Engenharia

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