Трехмерная Velocimetry Отслеживание частиц для Турбулентность Области применения: Случай струйного потока

Целью данного эксперимента является создание и оптимизация системы отслеживания скорости следования частиц для применения в условиях турбулентности и ее использование для изучения течения струи. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области турбулентности с помощью лагранжевого описания потока. Основным преимуществом этой методики является ее способность отслеживать большой набор частиц во времени и пространстве.

Хотя этот метод может дать представление о турбулентности и системе отсчета Лагранжа, он может быть применен к другим приложениям, таким как захват движения или отслеживание движения. Установка для этого эксперимента предназначена для исследования промежуточного поля потока струи в трубе. Этот резервуар, наполненный водой, имеет внутри себя желоб для создания струи диаметром в один сантиметр.

На этой схеме представлен обзор настройки перед добавлением оборудования для трехмерной скорости отслеживания частиц. Чтобы подготовиться к отслеживанию частиц, определите область исследования, объем опроса. В этом эксперименте это куб с гранями, параллельными граням большего объема, и его ближайшей точкой в 15 сантиметрах от конца лотка.

После того, как объем опроса выбран, начните с позиционирования главного зеркала. Зеркало имеет форму пирамиды и установлено на вертикальном монтажном столбе вдоль борта экспериментального резервуара. Сдвиньте зеркало вдоль стойки так, чтобы оно выровнялось с центром объема для допроса, затем закрепите его на месте.

Далее установите камеру за главным зеркалом. Установите так, чтобы центр изображения камеры совпадал с центром главного зеркала. Теперь подойдите к компьютеру, чтобы проверить его соединение с камерой.

Продолжайте настройку интерфейса между камерой и программным обеспечением для записи. Начните с обзора главным зеркалом и его окружением. Используйте настройку области интереса программного обеспечения, чтобы настроить ширину и высоту обзора камеры так, чтобы она закрывала только основное зеркало.

Следующим шагом является размещение калибровочной мишени в резервуаре для установки второстепенных зеркал. Эта мишень специально разработана для охвата всего объема опроса. Мишень имеет целевые точки диаметром один миллиметр для калибровки.

Во-первых, поместите в танк регулируемую по высоте платформу для поддержки цели. Расположите калибровочную мишень на платформе и поверните ее лицом к камере. Отрегулируйте высоту платформы таким образом, чтобы центр калибровочной мишени совпадал с центром калибровочного объема.

Продолжите, заполнив разделитель четырех видов. Отрегулируйте положение главного зеркала так, чтобы оно захватывало весь объем опроса. Второстепенные зеркала устанавливаются на вертикальных монтажных стойках по обе стороны от главного зеркала.

Установите каждое дополнительное зеркало так, чтобы оно было примерно выровнено с видом камеры с ближайшей стороны главного зеркала. Закрепите дополнительное зеркало на месте. Окончательное расположение должно быть геометрически симметричным по отношению к главному зеркалу.

Используйте лазерную указку и направьте ее на зеркало по очереди, чтобы визуализировать траекторию изображения. Внесите окончательные корректировки вторичного зеркала, используя траекторию луча в качестве ориентира, чтобы вид охватывал всю калибровочную мишень. Повторите визуализацию пути изображения и внесите корректировки для каждого из оставшихся второстепенных зеркал.

После того, как все зеркала будут отрегулированы, следите за подизображениями вида камеры. За компьютером наблюдайте за изображением с помощью камеры. На разделителе видов переместите одно из второстепенных зеркал, чтобы исследовать перекрытие подизображений.

Если при движении зеркала изменяется только один вид, перекрытие будет незначительным. Установив четырехпозиционный разветвитель, выключите камеру и перейдите к работе с освещением. Источники света размещайте прямо напротив объема опроса сверху.

В этом эксперименте увеличительная линза помещается прямо под источниками света для увеличения интенсивности света. Включите источники света и визуально убедитесь, что свет равномерно распределен по всему объему опроса. Начните оптимизацию настройки, вернувшись к работе с камерой.

Регулируйте фокусировку объектива до тех пор, пока отражение через главное зеркало не будет одинаково сфокусировано на всех четырех видах вторичных зеркал. Убедитесь, что изображения с разделителя представления симметричны и показывают объем опроса. Перейдите к регулировке f-ступени, чтобы иметь возможность захватить как ближайшую, так и самую дальнюю точку калибровочной цели.

Камера будет захватывать только трассирующие частицы в объеме опроса. На этом этапе обратитесь к программному обеспечению для записи. Установите желаемую частоту кадров.

Для этого эксперимента используется частота 550 Гц. Затем максимально увеличьте светочувствительность в соответствии с выбранной частотой кадров. Теперь подготовьтесь к получению калибровочных изображений калибровочной мишени.

Прикрепите светодиодный фонарь к танку непосредственно над целью для подсветки. Сделайте несколько снимков цели с помощью четырехвидового разделителя для последующих этапов калибровки. Когда это будет сделано, снимите калибровочную мишень, ее опорную подставку и фонарь, чтобы начать регулировку подсветки.

Подготовьте небольшое количество затравочных частиц для оптимизации освещения. Возьмите небольшой стакан с водой и добавьте в него частицы посева. Подождите, пока частицы распустятся.

Частицы представляют собой полые керамические сферы с серебряным покрытием толщиной 100 микрометров. Налейте смесь в бак, чтобы оптимизировать освещение и настройки камеры. Продолжайте с выключенным светом в комнате и включенными источниками света.

На компьютере следите за изображением главного зеркала в режиме реального времени и проверяйте освещенность на каждом снимке, наблюдая за разницей в плотности частиц между видами. Геометрия в этом эксперименте приводит к тому, что два верхних зеркала получают меньше света. При настройке исправьте это, добавив плоское зеркало под источником света на дне аквариума.

Под источниками света это дополнение помогает уменьшить вариации по всему обзору. На камере отрегулируйте усиление и уровни черного каждый в диапазоне примерно от нуля до 500. Цель состоит в том, чтобы лучше улавливать рассеяние света от частиц.

В этой последовательности сравниваются три кадра с разными уровнями усиления и черного. В этом эксперименте использовалось значение усиления 300 и черное значение 500. Выключите источники света и включите освещение в комнате.

На компьютере откройте программное обеспечение для отслеживания скорости отслеживания частиц. Идея состоит в том, чтобы загрузить одно из калибровочных изображений, сделанных ранее. С помощью программного обеспечения разделите это изображение на четыре независимых подизображения, которые соответствуют различным видам вторичного зеркала.

Сохраните каждое из этих подизображений в отдельный файл. Каждое изображение будет использоваться как бы с отдельной камеры. Выполните шаги калибровки с использованием данных координат и шагов для нескольких камер.

Подготовьтесь к сбору данных, включив велоциметрию источников света. Далее достаньте частицы посева и добавьте их в бак. Подождите, пока в системе разовьется устойчивый поток.

При выключенном свете в комнате следите за изображением камеры, чтобы убедиться в правильной плотности затравки частиц, как на этом видео замедленного потока струи. Когда все будет удовлетворено, запишите желаемое количество изображений потока. После того, как данные собраны, приступайте к их обработке, разделяя собранные изображения на четыре подизображения и сохраняя их.

Когда это будет сделано, появится открытый экран PTV с выбором меню в верхней части и дисплеем для различных видов камеры справа. Перейдите на вкладку «Пуск» в пунктах меню и нажмите, чтобы открыть параметры. Нажмите кнопку «Перезапустить изображение», чтобы загрузить четыре вида камеры первого необработанного изображения в данных.

Наведите курсор мыши на директорию run и кликните по ней. Оттуда нажмите на основные параметры. В новом окне перейдите на вкладку «Общие».

Введите количество камер, в данном случае четыре. Продолжайте вводить параметры на других вкладках. Когда закончите, переместите мышь, чтобы щелкнуть пункт меню предварительной обработки.

Там нажмите фильтр высоких частот. В результате рассеивание света на четырех изображениях усиливается. Также в пункте меню предварительной обработки найдите и нажмите на обнаружение частиц, чтобы определить центроид каждой обнаруженной частицы.

Затем снова в пункте меню предварительной обработки нажмите «Соответствия», чтобы установить стереоскопические соответствия. Далее перейдите в пункт меню 3D положения. Под ним выбираются 3D-положения для определения трехмерного положения обнаруженных частиц на основе калибровки.

В меню последовательности найдите и нажмите последовательность без отображения, чтобы повторить шаги предварительной обработки для всех собранных последовательностей изображений. Теперь введите параметры, которые будут использоваться для идентификации частиц для отслеживания. Продолжите, выбрав пункт меню отслеживания.

Оттуда выберите отслеживание без отображения, чтобы коррелировать соседние кадры. И выбрать обнаруженные частицы для визуализации 3D-реконструированных частиц. Когда отслеживание будет завершено, перейдите в пункт меню отслеживания и выберите его.

Нажмите «Показать траектории», чтобы визуализировать траектории в каждом виде камеры. Теперь на каждом из видов камеры изображены траектории частиц. Кроме того, был создан файл данных для постобработки.

Это образец трех репрезентативных траекторий частиц в промежуточной области поля вокруг плоскости, в 16 раз превышающей диаметр струи трубы. Когда расстояние от ядра струи невелико, в интервале времени в одну секунду этих данных наблюдаются более длинные траектории. По мере увеличения расстояния от ядра струи длина траектории уменьшается

При диаметре струи трубы, в три раза превышающем диаметр струи трубы, индикаторные частицы имеют короткие и сложные траектории. Вот все успешно реконструированные траектории частиц, которые пересекают одну и ту же плоскость. Распределение скоростей колеблется от нуля до 60% от скорости выхода струи.

Низкие скорости находятся в синем диапазоне спектра, а высокие скорости — в красном диапазоне. Анализ показывает, что частицы вблизи ядра струи демонстрируют более плавные траектории. Отслеживание частиц позволяет рассчитать кривизну вдоль траектории частиц.

Это график средней кривизны, умноженной на диаметр струи трубы в зависимости от масштабированного радиального расстояния для двух плоскостей. Один на 16, а другой на 17 диаметрах струи трубы. Оба увеличиваются монотонно, но плоскость, удаленная от выхода из трубы, имеет уменьшенную среднюю кривизну за пределами ядра струи.

Этот график дает информацию о среднем распределении скорости струй по потоку в 16 диаметрах струй трубы самолета за выходом из трубы. После освоения этой техники ее можно сделать за шесть часов, если она выполнена правильно, исключая время обработки с помощью программного обеспечения. При выполнении этой процедуры важно помнить о равномерном освещении, правильных настройках камеры и достаточном количестве частиц посева.

После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как настроить разветвитель обзора, собрать источник света, управлять параметрами камеры и оптимизировать систему PTV. После его разработки этот метод проложил путь исследователям в области турбулентности к экспериментальным исследованиям динамики лагранжевых течений.