Методическая статья

Одновременное измерение турбулентности и Кинематика частицы с помощью потока, методы визуализации

DOI:

10.3791/58036

⸱

12 марта 2019 г.

 , 
1Department of Coastal and Marine Systems Science, Coastal Carolina University

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Метод, описанный здесь предлагает низкой стоимости и относительно простой метод одновременно измерения частиц кинематики и турбулентности потоков частиц низкой концентрации. Турбулентность измеряется с помощью частицы изображения Велосиметрия (PIV), и Кинематика частицы рассчитываются на основе изображений, полученных с помощью высокоскоростной камеры в перекрывающихся поля зрения.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Многочисленные проблемы в научной и инженерной областях включают Понимание кинемо частиц в турбулентных потоков, такие загрязнители, морских микроорганизмов, и/или отложениях в океан, или кипящего реактора и процессов горения в инженерных систем. Для того чтобы изучить эффект турбулентности на Кинематика частицы в таких потоков, требуются одновременного измерения потока и частицы кинематики. Существуют методы измерения non навязчивым, оптического потока для измерения турбулентности, или для отслеживания частиц, но одновременно оба измерения может быть сложным из-за помех между методами. Метод, представленные в настоящем документе обеспечивает низкую стоимость и относительно простой метод для одновременного измерения потока и частиц кинематики. Поперечное сечение потока измеряется с помощью метода Велосиметрия (PIV) изображение частиц, которая обеспечивает два компонента скорости в плоскости измерения. Этот метод использует импульсный лазер для освещения в сеяный потока поля, отображаемого с помощью цифровой камеры. Кинематика частицы одновременно отражаются с помощью Светоиспускающий диод (LED) линии свет, который освещает плоское поперечное сечение потока, которая перекрывается с PIV поле зрения (FOV). Линии свет является достаточно малой мощности, что он не влияет на размеры PIV, но достаточно мощным, чтобы осветить более крупные частицы интерес образы с помощью высокоскоростной камеры. Высокоскоростной изображений, которые содержат лазерных импульсов от PIV технику легко фильтруются путем изучения уровня суммируются интенсивности каждого высокоскоростной изображения. Делая частота кадров высокоскоростной камеры несоизмеримы с этим частота кадров камеры PIV, можно минимизировать количество зараженных кадров высокоскоростной временных рядов. Техника подходит для средней потоков, которые являются преимущественно двумерной, содержат частицы, которые являются по крайней мере 5 раз средний диаметр PIV, посев Трейсеры и низкой концентрации.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Существует большое количество приложений в научных и инженерных областях, которые включают поведение частиц в турбулентных потоков, например, аэрозолей в атмосфере, загрязнений и отложений в инженерных системах и морских микро организмов или отложениях в океан1,2,3. В таких приложениях это часто интерес понять как частицы реагировать турбулентность, которая требует одновременного измерения частиц кинематики и динамики жидкости.

Существующие технологии для измерения движения частиц, называется частица отслеживания (PT), которая отслеживает траекторий отдельных частиц и статистический метод частиц изображения Велосиметрия4,5 (PIV), используемый для измерения потока скорости, оба включают неинтрузивного оптических методов. Основной задачей в использовании этих неинтрузивного оптических методов измерения потока и частицы кинематики одновременно является отдельный освещения, необходимых для каждого изображения метод, который не может вмешиваться с другого измерения точности ( например, источник подсветки для измерения Кинематика частицы не может действовать как источник значительный шум в измерение скорости жидкости и наоборот). Контраст изображения в обоих наборов изображений должны быть достаточными для получения надежных результатов. К примеру PT изображения преобразуются в черно-белых изображений для того, чтобы выполнить анализ больших двоичных объектов для определения позиции частиц; Таким образом недостаточно контраст приводит к ошибкам в позиции частицы. Плохой контраст в PIV изображения составляет низкое соотношение сигнал шум, что приведет к неточности в оценке жидкости скоростей.

Здесь относительно недорогой и простой метод одновременно измерять обе скорости кинематики и потока частиц описан. Благодаря использованию мощных монохромные Светоиспускающий диод (LED) линия света, где линия относится к легкой диафрагмы и двойной головкой высокой интенсивности лазерного, частицы интерес и поля потока одновременно отражаются в том же регионе. Высокой мощности светодиод для изображений (гусеничный) частиц, высокоскоростной камеры достаточно, но не влияет PIV изображения, поскольку интенсивность света, рассеянного с PIV Трейсеры является слишком низким. Когда двойной головкой высокой интенсивности лазерного освещает поля потока для изображений, PIV, это происходит через короткий промежуток времени эти образы легко идентифицируются и удалены из временных рядов, полученные путем высокоскоростной камеры PT, когда они регистрируются. PIV лазерных импульсов, записанная во время скоростной изображения (используется для отслеживания частиц), серии может быть сведено к минимуму, не выполнив двух систем на приобретение кадров, которые сопоставимы друг с другом. В более продвинутых установок один внешне может спровоцировать камер PT и PIV с задержкой, что бы убедиться, что это не произойдет. Наконец путем тщательного рассмотрения количество частиц, отслеживаются в рамках PIV поле зрения (FOV), любые ошибки, представил эти гусеничные частиц в корреляционного анализа изображений PIV уже учитываются по общей оценке ошибки, включая ошибки, связанные с распределением неоднородной размер PIV Трейсеры в окне допроса. Подавляющее большинство PIV, посев Трейсеры следующие поток, дают точные потока скорость оценок. Эти методы позволяют одновременное прямое измерение как частица кинематики потока области и в двумерной плоскости.

Этот метод показан, применяя его определить частиц урегулирования характеристики в турбулентном потоке, аналогичного используемому в исследованиях Ян и застенчивая(ый)6 и Jacobs et al. 7. частица урегулирования является завершающим этапом в наносов, который обычно состоит из осадочных подвеска, транспорта и урегулирования. В большинстве предыдущих исследований, которые обратились частиц, поселившись в турбулентных течений либо траекторий частиц или турбулентного скорости не измеряется непосредственно, но теоретически выведенных или образцу8,9,10. Подробная информация о взаимосвязях между частицами и турбулентности чаще всего были расследованы с использованием теоретических и численных моделей ограниченностью экспериментальные измерения оба одновременно6,11. Мы представляем тематическое исследование взаимодействия частиц турбулентности в колебательный ГРИД, где мы изучаем скорость осаждения частиц и их соединение с турбулентности. Для ясности далее мы будем называть частиц под расследование как «частицы» и посева частиц используется для метода PIV как «трейсеры»; Кроме того, мы будем ссылаться на камеру, используется для высокоскоростной визуализации траекторий частиц как «частица отслеживание», «Пт» или «скоростной» камеры, который измеряет «высокоскоростной изображения» и используется для метода PIV «PIV камеры» камеры, которая меры «изображения». Метод, описанный здесь позволяет одновременное измерение частиц кинематики и динамики жидкости над полем предварительно определенный интерес в пределах объекта. Полученные данные предоставляет двумерные описания взаимодействия частиц турбулентности.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Примечание: Все сотрудники должны обучаться безопасного использования и эксплуатации IV класса лазеров, а также безопасного использования и эксплуатации инструментов рук и власти.

1. экспериментальные установки

  1. PIV установки
    1. Настройка двойной головкой лазерных и оптики.
      1. Место лазера на оптические пластины. Уровень лазерный относительно нижней части объекта (или относительно земли, если желательно иметь вертикальных скоростей, в соответствие с ускорение свободного падения) и выровнять по вертикали лазерный луч с центром 2D плоскости к записи образа.
      2. Поместите Цилиндрические линзы на пути луча, обеспечения его оптические пластины. Объектив будет форма пучка в 2D плоскость. Размер отображаемого в 2D плоскости будет зависеть от фокусного расстояния объектива и расстояние от региона должны расследоваться. Отрегулируйте объектив и расстояние до освещенной региона является достаточно большой для конкретного приложения.
      3. Место сферической линзы на оптические пластины между Цилиндрические линзы и плоскости 2D изображения. Расстояние между сферические и Цилиндрические линзы и фокусное расстояние линзы сферические определит толщину 2D плоскость подсветкой (легкие листа). Настройте это расстояние и фокусное расстояние объектива, до тех пор, пока свет лист составляет примерно 0,5-1 мм толщиной.
    2. Позиции и выполнить предварительные Калибровка камеры PIV.
      1. Прикрепите объектива к камере PIV, включения PIV камеры в свободный/непрерывном режиме и крупно сфокусировать камеру PIV. Настройка диафрагмы PIV камеры позволяют достаточно света, чтобы быть получены датчик изображения; Этот параметр диафрагмы может отличаться при использовании комнаты в белый свет против освещения на основе лазера.
        1. Отрегулируйте объектив и расстояние до тех пор, пока размер изображения достаточно соблюдать области интереса. Выбор объектива и расстояние между камерой PIV и свет лист определяет физический размер изображения с камеры PIV. В идеале, размер изображения должен быть меньше (или аналогичные) размер установки света листа в 1.1.1.
      2. Обеспечить камеры PIV перпендикулярно света лист и грубо отрегулировать высоту таким образом, что области интереса (определяются границы света лист – см. шаг 1.1.1) находится в пределах PIV камеры поле зрения (FOV).
      3. Уровень PIV камеры в нижней части объекта потока (или относительно земли, если желательно иметь вертикальных скоростей, в соответствие с ускорение свободного падения). Это крайне важно что PIV камеры точно перпендикулярно света лист, так что это должны быть тщательно проверены.
      4. Выключите камеру PIV и включите лазер. Разместите цель калибровки и привести его в соответствие с центром света листа, а затем выключите лазер.
        Примечание: Цель калибровки является двумерной плиты (обычно сделаны из металла для целей жесткости), содержащий несколько маркеров (например, точек или пересекает) выравниваются в формировании регулярно интервал сетки. Пластину обычно окрашена в черный цвет с белыми маркерами. Известных расстояние между маркерами позволяет оценки коэффициент пересчета между физической единицы и пикселей.
      5. Включите фотокамеру PIV и уточнить направленность PIV камеры на цель калибровки. Пикселей камеры PIV будет определить, насколько хорошо региона могут быть решены в пространстве; Таким образом его следует рассматривать (см. шаги 2.1.1 и 2.1.4 для деталей на этих соображений).
      6. Один из образа. Подтвердите что камера PIV уровне путем обеспечения того, что высота в строке целевого объекта калибровки является последовательным, а также что горизонтально вдоль столбца целевого объекта калибровки согласуется. Проверьте размер маркеров калибровки в каждом углу изображения (в пикселах) для того, чтобы оценить количество искажение изображения, которое должно быть сведено к минимуму. Разница в размере калибровки маркеров на каждом из четырех углов в идеале должно быть равно нулю; но не должно отличаться более чем на 1 пиксел.
    3. Добавьте PIV Трейсеры к потоку.
      1. Выберите подходящую Трейсеры что являются нейтральн плавучесть (одинаковой плотности как жидкость), химически инертный, соответствующий размер и форму (сферических и достаточно мал, чтобы следовать за потоком) и имеют высокий показатель преломления относительно жидкости12,13 .
        Примечание: В представленной тематическом исследовании, где жидкостью является вода, мы использовали полые стеклянные сферы с средний диаметр 10 мкм и плотность 1,1 г/см3.
      2. Ввести PIV Трейсеры в поток и запустить средство (колебания сетки) до тех пор, пока они хорошо смешиваются. Постепенно ввести Трейсеры и оценивать качество изображения и уровень плотности Трейсеры внутри него.
        Примечание: Большой разделение между трассирующими серый уровня интенсивности и фон является оптимальным.
        1. Оценки путем включения лазера и собирая изображения в режиме свободных/непрерывной. Трейсеры концентрация в изображении должна быть плотной, но не крапинами4,14. Рассмотрим размер окна желаемого корреляции в выборе уровня концентрации, как он предложил, чтобы иметь вокруг 8-10 пар ясно частиц в PIV изображение пары для кросс корреляционный анализ4 (см. шаг 2.1.1).
    4. Настройка параметров PIV. PIV параметры состоят из PIV камеры частоту кадров (который является таким же, как скорость двойного-импульсов лазерного), времени между изображение пары (то есть, времени между подряд (двойной) лазерных импульсов) и количество пар изображений для сбора. Уточнение этих параметров может потребоваться после рассмотрения результатов от шага 1.1.5.
      1. Установка интервалов PIV камеры и лазерные (частоту). Эти определения времени резолюции пробы скорости векторных карт и должны быть как высоко, как можно (ограничение PIV камеры, лазер или на жестком диске) вплоть до половины маленьких шкале времени потока.
      2. Задайте время между последовательными PIV изображения (т.е. пара изображений PIV).
        1. Задайте время между последовательными PIV изображения, основываясь на средней скорости в объекте и размер окна допроса (см. 2.1.1). У Трейсеры перемещению примерно 1/4-1/2 допроса размер окна в то время, прошедшее между последовательных изображений. Время между последовательных изображений также устанавливает сроки между двумя лазерными импульсами.
        2. Предварительно определяют первого импульса огонь короткое время после открытия затвора камеры PIV. Если с помощью кросс корреляции PIV камеры, камеры PIV сохраняет изображение в буфер памяти и заново открывает затвора снова.
        3. Огонь второй лазерного импульса, основанный на время установки здесь. После второй пульс пожары, затвора камеры будет снова закройте, отправив оба изображения фрейм граббер (или бортовой памяти камеры PIV).
        4. Определите время между первого импульса, которые вызывают приобретение первое изображение пары изображений и первый импульс, который вызывает приобретение первое изображение пары последующих изображение, кадр PIV ставке (см. 1.1.4.1).
      3. Задайте число пар изображений для сбора. Число пар изображений для сбора должен быть выбран для обеспечения конвергенции статистических реологические свойства, который зависит от экспериментальной установки, но обычно находится в диапазоне от сотен до тысяч пар изображений.
    5. Тестирование установки PIV.
      1. Установить режим внешним триггером для обоих лазерных головок лазерных и увеличить мощность лазера. Полностью затмите номер.
      2. Начать сбор данных в синхронизированном непрерывном режиме на пару секунд.
      3. Остановка сбора данных.
      4. Крест коррелируют изображение пары собрал (см. 2.1.1).
        1. Если процент хороших векторов, передавая сигнал шум коэффициент (коэффициент наивысший пик крест корреляция на второй высокий крест корреляция пик – см. 2.1.1) находится в верхнем диапазоне 90% или средняя трассирующими, перемещения в пределах допроса windows являются не примерно 0,25-0,5 размера окна допроса, повторить и проверки правильности осуществления шагов в разделе 1.1 до тех пор, пока она достигается. После того, как достигаются эти значения, остановите объект (остановка сетки колебание).
  2. Настройка отслеживания 2D высокоскоростных частиц
    1. Расположите монохроматический светодиод линии.
      1. Выберите Светодиодные линии таким образом, что он освещает частицы исследуемых (например, частицы отложений) с большой рассеяния света (большая разница в преломления частицы в отношении жидкость). Она должна также иметь возможность светиться непрерывно или по курсу, который может быть синхронизирован с помощью камеры PT.
      2. Уменьшить толщину линии света идеально соответствуют PIV света толщина, но не более чем в 10 раз толще, чем PIV света толщина для уменьшения разночтений вследствие движения частиц из плоскости.
      3. Размер ширины линии светодиодные матч или охватывать PIV FOV. Монтировать перпендикулярно света лист, порожденных лазер, так, что есть никаких проблем света блокировки (например, PIV света листа со стороны) и индикатор снизу LED. Смотрите Рисунок 1.
      4. Выровняйте линии светодиодные, таким образом, что PIV света толщина центрируется в пределах Светодиодные света толщины линии. Только корректировать позиционирование светодиодный свет для достижения такой согласованности. Движения легкие листа PIV потребует повторяя шаги в разделе 1.1.
    2. Позиции и выполнить предварительные калибровки высокоскоростной камеры PT.
      1. Прикрепите объектив на камеру PT, включите камеру PT в режиме свободных/непрерывная/Live и крупно сфокусировать камеру PT. Если необходимо, отрегулируйте диафрагмы камеры PT позволяет достаточно света, чтобы быть получены датчик изображения камеры PT; Этот параметр диафрагмы может отличаться при использовании комнаты в белый свет против освещения на основе светодиодов. Выбор объектива и расстояние между камерой и светодиодные линии света определяет физический размер изображения с камеры PT. В идеале, камеры PT ПЗ будет меньше (или аналогичные) размер области, освещенные СИД.
      2. Убедитесь, что высокоскоростной камеры перпендикулярно линии света и грубо Отрегулируйте высоту так, что регион интерес внутри камеры PT ПЗ и включают PIV FOV.
      3. Уровень камеры PT что касается нижней части объекта потока (или относительно земли, если желательно иметь вертикальных скоростей, в соответствие с ускорение свободного падения). Это upmost важно, что камеры PT быть точно перпендикулярно плоскости, освещенный линии света, так что это должны быть тщательно проверены.
      4. Выключите камеру PT, включите свет линия и разместите цель калибровки выровнен по центру линии света, а затем выключить линии света.
      5. Включите камеру PT и совершенствовать свое внимание на цель калибровки. Доработать объектива и расстояние до тех пор, пока размер изображения достаточно соблюдать региона интерес и охватывать PIV FOV.
      6. Выбор объектива и расстояния, таким образом, что высокоскоростной камеры PT угол обзора больше, чем PIV FOV. Эта мера необходима для того, чтобы убедиться, что камера PIV и высокоскоростной камеры PT не блокирует физически друг друга.
      7. Организовать камер PT и PIV вертикально (stacked) или смещение в сторону друг друга. Это может быть удобно для выравнивания один угол высокоскоростной PT ПЗ и PIV FOV. Пикселей камеры PT будет определить, насколько хорошо региона могут быть решены в пространстве; Таким образом он должен рассматриваться. Коэффициент пересчета между физической единицы и пикселей определяет физическое расстояние, пройденное на один пиксел. Частицы должны вытеснять приблизительно 3-10 пикселов между последовательных изображений, и если это перемещение, слишком большой (или малые) потому что FOV слишком мал (или слишком большой) или количество пикселей, слишком большой (или слишком мал) затем частицы не могут вытеснить идеал количество точек между изображениями (см. также 1.2.3.2).
      8. Выберите частиц для расследования.
        1. Используйте частицы интереса гораздо больше, чем PIV, посев Трейсеры достаточно различие между исследуемых частиц и трейсеры PIV. Мы добились успеха с частицами, примерно в 5 раз больше, чем PIV Трейсеры и рассмотреть этот нижний предел, но предел может зависеть от частиц преломления и источников света. Исследуемых частиц должна охватывать около 4-5 пикселов в изображении высокоскоростной камеры. Таким образом размер исследуемых частиц может позволить для меньше пикселей для высокоскоростной изображения чем PIV изображения.
        2. Повторите шаги 1.2.2.1-1.2.2.5, необходимых для достижения этого шага.
      9. Приобрести одно изображение цели калибровки. Убедитесь, что Камера PT является уровень путем обеспечения того, что высота в строке целевого объекта калибровки последовательной и что горизонтально вдоль столбца целевого объекта калибровки согласуется. Также проверьте размер маркеров калибровки в каждом углу изображения для того чтобы оценить количество искажение изображения, которое должно быть сведено к минимуму (не отличается более чем на 1 пиксел).
    3. Установите параметры высокоскоростной камеры. Параметры высокоскоростной камеры состоят из частота кадров камеру PT (в этом случае также установление времени экспозиции), разрешение камеры PT (полный кадр или биннинга пикселей для увеличения частоты кадров или продлить время приобретения) и количество изображений сбор.
      1. Задайте количество изображений быть собраны (т.е., длина приобретение время). Количество изображений собраны влияет количество траекторий частиц измеренная — длиннее время приобретения, больше траектории, которые могут быть измерены.
      2. Задайте частоту кадров (и время воздействия) и разрешение высокоскоростной камеры PT.
        1. Избегайте установки стоимость приобретения высокоскоростной изображения на том же или нескольких PIV частота кадров. Задайте частоту кадров на основе сметных скорость частиц в потоке. Частицы должны вытеснять пикселей более чем 1 или 2 для того, чтобы избежать случаев перекрытые частиц в двух последовательных изображений; Однако большой разрыв (> 10 пикселей) приведет к менее уверенность в определении той же частицей в последовательных изображений, уступая потери траектории частиц (см. 2.2.4). Отрегулируйте PT камеры резолюция и частоты кадров для достижения перемещения частиц в этом диапазоне (3-10 пикселей).
    4. Тестирование установки высокоскоростной камеры.
      1. Линия усилителя светодиод свет и в противном случае затемнить номер.
      2. Запуск объекта (начало осциллирующий сетки).
      3. Внедрить частиц в потоке и захватить несколько кадров после частицы появляются в высокоскоростной камеры ПЗ. Наложение последовательных кадров и оценить ли отличишь частиц в последовательных кадров.
        1. Проверьте, что введение частиц в ПЗ высокоскоростной камеры происходит достаточно далеко от FOV вход эффекты незначительны, что плотность частиц достаточно редкие, что не есть частые случаи дублирования частиц в пределах высокоскоростной изображение ПЗ, и что движение частиц в первую очередь в плоскости образы так что частицы прослеживается на глаз в камере ПЗ/PT камеры изображения истории.
        2. Если эти результаты не получены, затем повторите 1.2 до тех пор, пока она достигается. После того, как достигнуто, остановите объект (остановка сетки колебание).
  3. Комбинированный окончательной калибровки
    1. Позиции целевой калибровки в PIV и PT камеры FOVs и внутри PIV и светодиодные легкие листы. Цель калибровки должны быть viewable PIV камеры и высокоскоростной камеры PT. Убедитесь, что обе камеры находятся в центре внимания. Если он не в фокусе, шаги 1.1 и 1.2 необходимо повторить для камеры PIV и высокоскоростной камеры, соответственно.
    2. Убедитесь, что по крайней мере один уникальный Марк существует на целевом калибровки, который доступен для высокоскоростной камеры ПЗ и PIV камеры ПЗ. Измерить и обозначают положение этого уникального знака в физическом пространстве пространственной регистрации между изображениями для целей.
    3. Калибровка высокоскоростной камеры, захват и сохранив одно изображение мишени калибровки по высокоскоростной камеры PT. Калибровка камеры PIV таким же образом.
    4. Удаление целевой калибровки из жидкости.
  4. Сбор данных
    1. Запустите средство (колебания сетки) пока достигнет устойчивого состояния (~ 20 мин).
    2. Задать условия освещения, потемнение номер и повернув на светодиод света. Добавьте частицы в жидкости.
    3. Синхронно Начните получение изображения для обеих систем, когда первый частицы появляются в высокоскоростной камеры PT ПЗ (в режиме реального времени).
    4. Скачать высокоскоростной фотографии из RAM для высокоскоростной камеры PT и сохранить изображения, полученные путем PIV камеры.
    5. Остановить объект (остановить колебания сетки).

2. анализ

Примечание: Существует множество пакетов программного обеспечения для выполнения анализа изображений PIV и PT-как коммерческие, так и бесплатных. Для анализа PIV freeware коды являются OpenPIV (http://www.openpiv.net/) и MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). Коммерческие компании также продают PIV анализа программного обеспечения. Для анализа PT многочисленные коды отслеживания частиц существует в 3D и 2D таких Частиц Tracker (https://omictools.com/particle-tracker-tool); полный перечень различных программных платформ можно найти здесь: https://omictools.com/particle-tracking-category или http://tacaswell.github.io/tracking/html/. Большинство анализ пакетов, например, MATLAB, имеют встроенные инструменты, которые делают его сравнительно легко осуществить свой код отслеживания. Для получения результатов, представленных в данном исследованииOpenPIVиспользовались TSI Insightи MATLAB пользовательской кодов слежения.

  1. Анализ изображений PIV
    1. Разделить сетку допроса windows (например, 64 x 64 пикселей2 с 50% перекрытием) над которыми скорость средняя потока на каждом окне вычисляется по кросс корреляции двух последовательных PIV изображения (то есть, PIV изображения пара) как каждое изображение подробно настройка PIV, разделу 1.1.4.2.
      Примечание: Расстояние между пик корреляции в каждом окне и центре окна определяет средний трассирующими перемещения в этом окне. Как только калиброванные, это смещение, деленное на время между последовательными PIV изображений (PIV изображения пара - см. шаг 1.1.4.2) дает оценки этих двух компонентов в плоскости скорости в каждом месте4. Коллективно это называется скорость векторной карты. Размер окна допроса определяет разрешение поля потока производится анализ PIV половину этого расстояния является вычисляемым скорости вектор интервал. Этот интервал вместе с пиксель на физическую единицу измерения коэффициентов задает разрешение области измерения расхода. Кроме того для получения низкого количества ошибочных векторов (см. 2.1.2), достаточное количество Трейсеры должны присутствовать в каждом окне (по крайней мере 8-10 Трейсеры), и они не должны вытеснять более чем около ¼ до ½ размера окна.
    2. Фильтровать результаты кросс-корреляции для удаления ложных результатов от скорости векторных карт.
      1. Примените фильтр сигнал шум (SNR). Требующих коэффициент 1.5 и выше обычно используется (это число может меняться в зависимости от конкретных экспериментальных условиях).
        1. Установить соотношение между первым и вторым SNR либо наивысшая корреляции в окне допроса или соотношение между первым и средняя корреляции над окном конкретные допроса. Оптимизируйте соотношение SNR для каждого набора экспериментов. Количество векторов, при отсутствии SNR проверка не должна превышать 10%.
      2. Фильтр, оставаясь ошибочных векторов (не более 5% между шагами 2.1.2.2 и 2.1.2.3) с помощью глобального фильтра, который сравнивает каждый индивидуальный скорости вектор с карта средней скорости плюс или минус три стандартных отклонений скорости карты и исключает скорости за пределами этого диапазона.
      3. Фильтр, оставаясь ошибочных векторов (не более 5% между шагами 2.1.2.2 и 2.1.2.3) используя локальный фильтр, который сравнивает каждый индивидуальный скорости вектор с средней скоростью окрестности вокруг скорости векторов, обычно 5 x 5 в размер.
        Примечание: Использование медианы и определение размера окрестности могут изменяться в зависимости от конкретных экспериментальных условиях.
    3. Замените ошибочных векторов, найденных на шаге 2.1.2 с интерполяцией векторов (или медиана окрестности), с использованием информации от окружающие окрестности векторов, обычно размером 5 x 5.
    4. Определите коэффициент конверсии расстояние в пиксель. Изучите, сколько пикселей перевести на определенное расстояние, используя расстояние между маркерами на цель калибровки, отображаемого в шаге 1.3.3.
    5. Калибровка векторов. Преобразовать векторов, вычисляемые в 2.1.1-2.1.3 шаги в физических единицах, используя этот фактор преобразования из шага 2.1.4 и время между пар изображений, набор в шаге 1.1.4.2; Преобразование смещения в пикселях в скорости в физических единицах.
  2. Анализировать высокоскоростной фотографии
    1. Удалите любые кадры из временных рядов высокоскоростной изображения, в котором PIV лазер был освещающей потока.
      1. Сумма значений интенсивности каждого кадра приобрел. Кадры, в которых мигает PIV лазера имеют суммируются интенсивности, что гораздо больше, чем те, без лазера PIV, активные в изображении. На основании порогового значения суммируются интенсивности, удалите любые изображения из временных рядов, которые суммируются интенсивность больше порога. Смотрите раздел 1.2.3.2 для указания сводить к минимуму количество кадров, для которых это происходит.
    2. Преобразуйте остальные изображения в градациях серого в двоичные образы с помощью порогового значения. В этом случае мы используем метод Оцу чтобы определить порог, который преобразует частицы в белый и черный фон.
    3. Выполните анализ больших двоичных объектов для каждого изображения.
      1. Определите регионы подключения в черно-белое изображение - далее именуемые как объекты. Как правило используется подключение 8 пикселей.
      2. Удалите объекты, которые намного меньше в зоне (то есть, количество пикселей, объект потребляет в изображении) чем типичный частиц размер в пикселях в изображении, обычно вокруг 3 пикселей.
    4. Вычисления траекторий частиц.
      1. Определение центра тяжести (оставшихся) всех объектов в первом изображении.
      2. Для каждого объекта обнаружен Поиск последующих изображение для того же объекта путем поиска в районе вблизи центра тяжести в предварительного изображения. Если только один частиц/объект в окне поиска найден, затем продолжить траектории и запишите расположение центра тяжести в этом образе; в противном случае прекратить траектории.
        Примечание: Слишком большой поиска области может привести к неправильной идентификации частицы в последующие изображения, поэтому области поиска должны быть как ограничены как можно больше не вызывая предвзятости в результатах. Если положение объекта в рамках последующих часто на максимальный диапазон окна поиска, то окно поиска не является достаточно большой.
      3. Повторите шаг 2.2.4.2 до тех пор, пока объект больше не может быть найден в последующие изображения. Когда это происходит, траектории считается завершенной.
        Примечание: Если отслеживает большинство частиц являются последовательно короткий (например, менее 5 кадров), то этот результат может означать, что существует значительный трехмерного движения и что этот метод не подходит. Как правило частица трека должна быть по крайней мере ¼ частицы, отслеживание ПЗ14; Однако необходимость трек длин может варьироваться с приложением.
      4. Повторите шаги 2.2.4.1-2.2.4.3 начиная с второй кадр для любых объектов, уже не отслеживается от кадра 1. Повторите этот процесс для всех возможных начиная кадров. Результат будет библиотека траекторий частиц на протяжении всего эксперимента.

3. анализ

  1. Вычислите частиц скоростей и ускорений от позиции траектории, полученные от высокоскоростной изображения, используемые для PT.
    1. Дифференцировать траекторий частиц выполнены в 2.2 времени (основанный на наборе кадров скорость на шаге 1.2.3.2) для вычисления скорости в каждом направлении. Это время дифференциация приводит к оценкам Лагранжа скорости частиц в пикселях в единицу времени.
      Примечание: Этот шаг только необходимо выполнить по желанию информации скорости частиц.
    2. Калибровка скорости путем преобразования скорости из пикселей в единицу времени на расстояние в единицу времени. Коэффициент пересчета (расстояние на пиксель) можно получить путем изучения расстояние между маркерами на цель калибровки, отображаемого в шаге 1.3.3.
  2. Выполните Рейнольдс разложения на PIV векторных карт для вычисления турбулентного количествах.
    1. Вычислите среднее ансамбль над все PIV скорости векторных карт, собранные в каждом месте в PIV векторных карт, полученные из шаг 2.1.
    2. Выполните Рейнольдс разложение путем вычитания эти средние значения, вычисляемые в 3.2.1 от мгновенной скорости в каждой карте для получения временных рядов турбулентного скорость колебаний.
    3. Вычисление статистики, представляющих интерес, например, бурной скоростью корень значит квадрат (RMS). Кроме того один можно изучить турбулентного колебания в местах точное частиц в пределах траекторий.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

На рисунке 1показана схема экспериментальной установки. На рисунке показано расположение света листов (Светоизлучающие и лазерные), перекрытия в FOVs и положение FOVs относительно осциллируя сетки и стенок цистерны. Одновременно, как описано в разделе протокол измерения турбулентности и частиц. На рисунке 2 показан пример результатов измерений мгновенной скорости и завихренность наряду с образца траекторий частиц. Результаты анал...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Метод, описанный здесь является относительно недорогим и обеспечивает простой способ одновременно измерять траекторий частиц и турбулентности в целях изучения влияния потока на Кинематика частицы. Примечательно отметить, что потоки или движения частиц, которые сильно трехмерной не подходят для этой техники. Вне плоскости движения приведет к17 ошибок в 2D отслеживания и анализа PIV и должны быть сведены к минимуму. Кроме того метод требует концентрации гусеничных частиц считается относительно низки...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Часть этой работы были поддержаны Фондом II-VI и прибрежные Каролина профессионального повышения Грант. Мы хотели бы также признать Коррин Джейкобс, Марек Jendrassak и Уильям купец для помочь с экспериментальной установки.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Оптические линзыCVI LASER OPTICSY2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UVДругие оптические компании приемлемы. Сферические и циклиндрикальные линзы для создания светового листа PIV.
Объектив камеры для PIVNikonNikkor 105mm f/2DОбъективы других производителей приемлемы. Объектив камеры для PIV визуализации.
Объектив камеры для высокоскоростнойкамеры NikonNikkor 50mm f/1.8DОбъективы других производителей приемлемы. Объектив камеры для высокоскоростной съемки.
Двухголовочный импульсный лазерQuantelEverGreen: 532 нм, 70mJ@15Hzдругих производителей лазеров приемлемы. Двухголовочный импульсный лазер для PIV: Nd:YAG
светодиодный фонарьGardasoft Vision, Ltd.Светодиодное освещение линии VLX2 - зеленый - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04Другие компании приемлемы. Линейный светильник для светодиодов.
Частицы/индикаторы для посева PIVPotters IndustriesСферические полые стеклянные сферы: средний диаметр 11 ммДругие компании приемлемы. Затравка частиц PIV
ПЗС-камера перекрестной корреляцииTSI, Inc.POWERVIEW 11M: ПЗС, двойная экспозиция, 4008x2672 пикселей @ 4.2 Гц с 12-битным динамическимдиапазоном Другие компании приемлемы. Двойная экспозиция, ПЗС-камера для PIV визуализации.
Высокоскоростная камераPhotronFASTCAM SA3; Модель 60K: 1024x1024 пикселей @ 1kHzДругие компании приемлемы. CMOS-камера для высокоскоростной обработки изображений.
СинхронизаторTSI, Inc.LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036других фирм приемлемы. Синхронизируйте захват камеры PIV и лазера.
Калибровочная мишеньTSI, Inc.Другие компании приемлемы. Прецизионная мишень для калибровки изображения.

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Maxey, M. R. The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields. Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).
  2. Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 759, R3(2014).
  3. Ha, H. K., Maa, J. P. Y. Effects of suspended sediment concentration and turbulence on settling velocity of cohesive sediment. Geosciences Journal. 14 (2), 163-171 (2010).
  4. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (2007).
  5. Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. 76, e50559(2013).
  6. Yang, T. S., Shy, S. S. The settling velocity of heavy particles in an aqueous near-isotropic turbulence. Physics of Fluids. 15 (4), 868-880 (2003).
  7. Jacobs, C. N., Merchant, W., Jendrassak, M., Limpasuvan, V., Gurka, R., Hackett, E. E. Flow scales of influence on the settling velocities of particles with varying characteristics. PLoS One. 11 (8), 0159645(2016).
  8. Murray, S. P. Settling velocities and vertical diffusion of particles in turbulent water. Journal of Geophysical Research. 75 (9), 1647-1654 (1970).
  9. Nielsen, P. Turbulence effects on the settling of suspended particles. Journal of Sedimentary Research. 63 (5), 835-838 (1993).
  10. Kawanisi, K., Shiozaki, R. Turbulent effects on the settling velocity of suspended sediment. Journal of Hydraulic Engineering. 134 (2), 261-266 (2008).
  11. Maxey, M. R., Corrsin, S. Gravitational settling of aerosol particles in randomly oriented cellular flow fields. Journal of the Atmospheric Sciences. 43, 1112-1134 (1986).
  12. Melling, A. Tracer particles and seeding for particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1406-1416 (1997).
  13. Hadad, T., Gurka, R. Effects of particle size, concentration and surface coating on turbulent flow properties obtained using PIV/PTV. Experimental Thermal and Fluid Science. 45, 203-212 (2013).
  14. Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
  15. Shy, S. S., Tang, C. Y., Fann, S. Y. A nearly isotropic turbulence generated by a pair of vibrating grids. Experimental Thermal and Fluid Science. 14 (3), 251-262 (1997).
  16. Dietrich, W. E. Settling velocity of natural particles. Water Resources Research. 18 (6), 1615-1626 (1982).
  17. Huang, H., Dabiri, D., Gharib, M. On errors of digital particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427(1997).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

PIV

Похожие статьи