En teknikk for å utføre kvantitativ tre-dimensjonale (3D) avbildning for en rekke væskestrømninger presenteres. Bruke begreper fra området of Light Felt Imaging, rekonstruere vi 3D volumer fra matriser med bilder. Våre 3D resultater spenner over et bredt spekter, inkludert hastighet felt og multi-fase boblestørrelse distribusjoner.
Innen fluidmekanikk, har oppløsningen av komputasjonelle ordninger outpaced eksperimentelle metoder og utvidet gapet mellom predikerte og observerte fenomener i væskestrømninger. Således eksisterer et behov for en tilgjengelig metode kan løse tre-dimensjonale (3D) datasett for en rekke problemer. Vi presenterer en ny teknikk for å utføre kvantitativ 3D avbildning av mange typer strømningsfelt. 3D teknikken gjør etterforskning av kompliserte hastighet felt og latter strømmer. Målinger av disse typer presentere en rekke utfordringer til instrumentet. For eksempel kan optisk tette sprudlende flerfasestrømninger ikke lett avbildes av tradisjonelle, ikke-invasive flyt måleteknikker grunnet bobler tilstoppes optisk adgang til de indre områder av volumet av interesse. Ved å bruke lys feltet Imaging er vi i stand til å reparameterize bilder tatt av en rekke kameraer for å rekonstruere en 3D volumetrisk kart for hver gang eksempel, til tross forpartielle okklusjoner i volumet. Teknikken gjør bruk av en algoritme kjent som syntetisk apertur (SA) refokusering, hvorved en 3D fokal stabel genereres ved å kombinere bilder fra flere kameraer etter fange en. Lysfeltet Imaging tillater fangst av kantete samt romlig informasjon om lysstrålene, og dermed muliggjør 3D-scene gjenoppbygging. Kvantitativ informasjon kan da bli hentet fra 3D rekonstruksjoner ved hjelp av en rekke algoritmer. Spesielt har vi utviklet målemetoder basert på lysfeltet Imaging for å utføre 3D partikkel bilde velocimetry (PIV), trekke bobler i et 3D-felt og sporing grensen av en flimrende flamme. Vi presenterer det grunnleggende på lysfeltet Imaging metodikk i sammenheng med vår oppsett for å utføre 3DPIV av luftstrømmen passerer over et sett av syntetiske vokal folder, og viser representative resultater fra bruk av teknikken til en boble-entraining stuper jet.
Flere tiltak er avgjørende for riktig utførelse av en lysfeltet Imaging eksperiment. Lens utvalg og plassering av kamera bør være nøye utvalgt for å maksimere oppløsningen i målingen volum. Kalibrering er kanskje den mest kritiske trinnet, som SA omstilling algoritmer vil mislykkes i å produsere skarp fokusering bilder uten nøyaktig kalibrering. Heldigvis forenkler multi-kamera selvkalibrering nøyaktig kalibrering med et relativt lavt nivå av innsats. Jevn belysning i alle bilder som gir god kontrast mellom objekter av interesse og bakgrunnen er også nødvendig, selv om bildebehandling kan normalisere bildene til en viss grad.
Timing er også viktig når du utfører SA på volumer som har bevegelige objekter. Hvis hvert kamera ikke utløses å ta et bilde ved samme tid, vil bildet rekonstruksjon åpenbart være unøyaktig. For forsøkene i denne artikkelen utnyttet vi timingen sekvensen shown i Figur 7.
3D lysfeltet bildebehandlingsprogrammer som presenteres her innebærer en romlig oppløsning trade-off. For eksempel, kan 3D SAPIV rekonstruere partikkel volumer fra optisk tette partikkel bilder, men partiklene er fordelt over en (potensielt stor) volum. For 2D PIV, blir partiklene fordelt et tynt ark, og dermed bilder med samme partikkeltetthet samsvarer til en mye større tetthet i målingen volum. Likevel, gjør at 3D SAPIV metode for mye større seeding tettheter som andre 3D PIV metoder 1. En annen potensielt begrensende faktor er det relativt store beregningsorientert intensitet assosiert med lysfeltet Imaging metoder, beregningsorientert kompleksitet er typisk for bilde-baserte 3D rekonstruksjon metoder som tomographic-PIV 10.
For dette eksperimentet brukte vi åtte Photron SA3 kameraer utstyrt med Sigma 105 mm makro linser og en Quantronix Dual Darwin Nd: YLF laser (532 nm, 200 mJ). Kameraer og laser ble synkronisert sammen via en Berkley Nucleonics 575 BNC digital forsinkelse / puls generator. Fluidstrømmen ble podet med Expancel helium fylt glass mikrosfærer. Mikrosfærene hadde en gjennomsnittlig diameter på 70 um med en densitet på 0,15 g / cc. Vi tilbyr åpen kildekode versjoner av kodene som brukes her for fagmiljøet via vår hjemmeside http://www.3dsaimaging.com/ og vi oppfordrer brukere til å gi oss tilbakemeldinger og delta i å forbedre og levere nyttige koder for den kvantitative lysfeltet samfunnet.
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gjerne takke NSF stipend CMMI # 1126862 for finansiering utstyr og utvikling av syntetisk apertur algoritmer ved BYU, In-house Laboratory Uavhengig forskning (Ilir) midler (overvåket av Dr. Tony Ruffa) for å finansiere utstyr og utvikling på NUWC Newport, og NIH / NIDCD stipend R01DC009616 for finansiering SLT, DJD og JRN og data knyttet til de vokale fold eksperimenter og Universitetet i Erlangen Graduate School i avansert optisk teknologi (SAOT) for delvis støtte av SLT. Til slutt, Rocky Mountain NASA Space Grant Consortium for finansiering JRN.