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

Многочисленные области как в инженерии, так и в естественных науках связаны с проблемами, связанными с взаимодействием частиц жидкости. Этот метод обеспечивает относительно недорогое, ненавязчивое одновременное оптическое измерение как траекторий частиц, так и скорости потока. Здесь мы измеряем скорость заселения частиц осадочных пород в турбулентном потоке, позволяя детально работать над траекториями частиц, одновременно измеряя турбулентные скорости в одном и том же месте.

Для начала установки велоциметрии изображения частиц зафиксируете двойную головку высокоинтенсивного импульсного лазера горизонтального уровня на оптической пластине, в соответствии с механизмом потока. Поместите цилиндрическую линзу в соответствии с лазером для создания 2D плоскости света, которая будет ниже колеблющейся сетки. Затем смонтировать сферическую линзу после цилиндрической линзы на расстоянии, которое будет генерировать световой лист, который составляет от 5 до одного миллиметра толщиной.

Далее поместите двойную экспозицию CCD-камеры перпендикулярно световому листу для записи изображений для PIV. Прикрепите объектив к камере, включите его и установите его в свободный и непрерывный режим. Грубо сосредоточьте камеру PIV на объекте турбулентного потока.

Отрегулируйте диафрагму и положение камеры до тех пор, пока изображение не будет меньше или близко к желаемым границам светового листа. Затем выключите камеру и включите лазер с низкой интенсивностью. Подтвердите, что световой лист перпендикулярен полу, а затем поместите калибровочную цель, отмеченную сеткой, точно в центре светового листа.

Важно обеспечить, чтобы камера PIV перпендикулярно световой лист и что световой лист перпендикулярно полу или нижней части объекта. Некорректность приводит к неправильным проекциям скорости и, следовательно, к ошибке скорости жидкости. Выключите лазер и включите камеру.

Сосредоточьте камеру на цели калибровки и захватит одно изображение. Откройте изображение в программном обеспечении для обработки изображений и подтвердите, что расстояние между строкой, высотой и столбецом соответствует цели. Размеры угловых маркеров должны отличаться не более чем на один пиксель и в идеале они должны быть идентичными.

Если изображение соответствует этим критериям, удалите цель калибровки. Установите сетку и запустите объект. Затем ввести около столовой ложки полный частиц трассировщика PIV в жидкость.

Подождите, пока трассировщики и жидкость хорошо смешаны, прежде чем продолжить. Затем включите лазер и установите его на внешнее управление и высокую мощность. Выключите свет комнаты и захват пары изображений для оценки плотности трассировщика.

Постепенно увеличиваем концентрацию трассировщика на чайную ложку до желаемой плотности зрения. Затем установите частоту кадров камеры PIV до максимально возможного значения и установите время между последовательными изображениями PIV. Подтвердите, что лазер настроен соответствующим образом.

Затем выключите свет и соберите данные в свободном режиме в течение нескольких секунд. Cross соотносит пары изображений и подтверждает, что полученные данные хорошего качества. Остановите колебания сетки после завершения.

Чтобы приступить к настройке отслеживания 2D частиц, поместите монохромный светодиодный индикатор линии под объект осцилляции сетки, так что световой лист будет по центру в пределах светодиодной линии. Включите светодиодный свет линии и лазер на низкой мощности. Подтвердите, что световой лист и линейный свет хорошо выровнены, а затем выключите их.

Затем прикрепите объектив к высокоскоростной камере CMOS, которая будет использоваться для отслеживания частиц. Включите камеру в свободном непрерывном или живом режиме, и грубо сосредоточить его на области интересов. Отрегулируйте высоту и расстояние диафрагмы камеры слежения за частицами до тех пор, пока область интереса не будет с ее полем зрения и камера не будет уровневой и перпендикулярной линии света.

Выключите камеру. Включите линейный свет и поместите калибровочную цель в центр линии света. Затем выключите линейный свет, включите камеру и сосредоточьте ее на цели.

Захват изображения цели калибровки и подтвердить, что камера отслеживания частиц является уровне, перпендикулярно цели и в фокусе без искажения изображения по краям. Удалите цель калибровки после этого. Затем установите количество высокоскоростных изображений, которые будут собраны.

Основываясь на ожидаемой скорости частиц, установите частоту кадров и разрешение до значений, которые должны достичь смещения частиц от трех до 10 пикселей между изображениями. Установите сетку, включите светодиодный свет линии, и затемнить комнату. Запустите колебания сетки и ввемите небольшую часть частиц, представляющих интерес, в поток.

Когда частицы появляются на высокоскоростной камере, захвати несколько кадров. Важно, чтобы следы частиц были хорошо видны на изображениях, что указывает на то, что частицы остаются в плоскости и не часто пересекаются. Несоблюдение этих критериев приведет к неспособности точно отслеживать частицы.

Подтвердите, что видимых входных эффектов нет, перекрытие частиц происходит нечасто, а движение частиц происходит в основном в плоскости. Остановить колебания, когда закончите. Для начала окончательной калибровки, с затемненным светом место калибровки цели в светодиодных и лазерных световых листов.

Выключите лазер и светодиод и включите огни комнаты. Убедитесь, что цель калибровки находится в фокусе в рамках foVs камеры, и имеет уникальный знак, видимый для обеих камер. Захват изображения цели калибровки на обеих камерах.

Обратите внимание на соответствующие размещения уникального знака, и подтвердить, что камеры по-прежнему уровне и не показывают искажения по краям. Затем удалите цель калибровки, установите сетку и запустите колебание. Пусть он работает, по крайней мере 20 минут, чтобы поток, чтобы достичь стабильного состояния.

Затем затемните комнату, включите светодиодный свет линии и ввемите частицы в поток. Одновременно запускайте лазерные импульсы и получение изображений для обеих систем, когда частицы появляются в камере слежения за частицами FOV. Когда сбор данных закончен, сохраните изображения и остановите колебания сетки.

Проанализируйте распределение скорости потока и траектории частиц. Изображения PIV могут быть обработаны в мгновенной скорости жидкости и распределения вихревости. Здесь распределение вектора скорости жидкости накладывается на цветную карту вихрей.

При такой настройке величина пространственного среднего корневого среднего квадратного колебания скорости жидкости над полем зрения PIV должна увеличиваться с частотой колебаний как для горизонтальных, так и для вертикальных компонентов скорости. Траектории и скорости частиц можно определить по высокоскоростным изображениям отслеживания частиц. Распределение скоростей частиц должно быть примерно гауссианом.

Здесь более крупные частицы неправильной формы обычно показывали распределение скорости частиц с большими стандартными отклонениями, чем у меньших сферических частиц. Хотя оба набора частиц показали распределение с большими средними вертикальными скоростями и большими стандартными отклонениями по мере увеличения скорости колебаний сетки. Застойный поток, оседает скорость синтетических частиц, промышленного песка и локально собранного песка, определяемого по их траекториям частиц, что примерно согласовано с кривыми Дитриха.

Тенденция к увеличению скоростей оседание частиц с частотой колебаний сетки была дополнительно изучена в последующем анализе. Одновременное оптическое измерение кинетики частиц и динамики жидкости, в частности турбулентности, является сложной задачей из-за возможности вмешательства между двумя методами визуализации, что приводит к неточностям измерения. Потоки, которые сильно трехмерные не очень хорошо подходят для этой техники, потому что из плоскости движений будет производить ошибки в обоих 2D отслеживания и анализа велоциметрии частиц.

Концентрация отслеживаемых частиц должна быть относительно низкой, чтобы максимизировать уверенность в том, что одна и та же частица отслеживается на последовательных изображениях. Кроме того, отслеживаемые трассировщики PIV и отслеживаемые частицы должны быть достаточно разными по размеру, чтобы различать их. Интеграция информации о скорости потока с траекторией частиц зависит от того, что изучается.

Например, этот метод может также изучить скорость потока в определенных случаях во времени по траектории частицы. Этот метод был продемонстрирован с транспортировкой отложений, приложение для движения наук, но это актуально во многих приложениях, где поток жидкости взаимодействует с природными или искусственных частиц.