En prosedyre for å studere forbigående strømmer nærheten grenser med høy oppløsning, høy hastighet partikkel image velocimetry (PIV) er beskrevet her. PIV er en ikke-påtrengende målemetode som gjelder til enhver optisk tilgjengelig flyt ved å optimalisere flere parameter begrensninger som bilde-og opptak egenskaper, laser ark egenskaper, og analyser algoritmer.
Multi-dimensjonale og forbigående strømmer spille en sentral rolle i mange områder av vitenskap, teknologi og helsefag, men er ofte ikke godt forstått. Den komplekse natur av disse strømmene kan studeres ved hjelp av partikkel image velocimetry (PIV), en laser-basert bildebehandling teknikk for optisk tilgjengelige renn. Selv om mange former for PIV eksistere som strekker teknikken utover den opprinnelige plane tokomponent hastighetsmålingen evner, består den grunnleggende PIV-systemet av en lyskilde (laser), et kamera, tracer partikler, og analyse algoritmer. Det tenkelig og opptak parametre, lys-kilde og algoritmer er justert for å optimalisere opptaket for strømmen av interesse og oppnå gyldige hastighetsdata.
Felles PIV undersøkelser måler to-komponent hastigheter i et fly på noen få bilder per sekund. Imidlertid har den siste utviklingen i instrumentering tilrettelagt høy bildefrekvens (> 1 kHz) målinger stand til å løse overgangenent flyter med høy tidsmessig oppløsning. Derfor høy bildefrekvens målinger har aktivert undersøkelser på utviklingen av strukturen og dynamikken i svært forbigående renn. Disse undersøkelsene spille en avgjørende rolle i å forstå de grunnleggende fysikken i komplekse renn.
En detaljert beskrivelse for å utføre høy oppløsning, høy hastighet planar PIV å studere et forbigående flyt nær overflaten av en flat plate er presentert her. Detaljer for å justere parameter begrensninger som image og opptak egenskaper, laser ark egenskaper, og behandling algoritmer for å tilpasse PIV for noen flyt av interesse er inkludert.
Multi-dimensjonale målinger av hastigheter og muligheten til å spore flyten feltet i tide gi viktig informasjon i mange områder av vitenskap, teknologi og helsefag. Blant de mest brukte teknikker for flow imaging er partikkel bilde velocimetry (PIV). Opprinnelig etablert som en plan teknikk som målte øyeblikksbilder av to in-plane hastighet komponenter, har PIV varianter blitt utviklet for å gi tre-komponent og volumetrisk måling evner. Alle PIV systemer består av tracer partikler, den ene eller de flere lyskildene, og ett eller flere kameraer. Faste partikler eller dråper blir ofte brukt som tracer partikler men bobler som ligger i strømningen kan også bli brukt som tracer partikler. Kameraet (e) deretter bilde (r) eller spredt lys som sendes ut fra tracer partiklene etter at de er bestrålt av lyskilden (e). Blant det brede spekter av varianter 1,2 den mest vanlige fanger to velocity komponenter i et fly på en rottee av noen få bilder per sekund. Mer nylig har ny instrumentering aktivert høy bildefrekvens målinger (> 1 kHz) som følger strømningen ved turbulente tidsskalaer i kHz-området.
PIV bestemmer et hastighetsfelt ved å spore bevegelse av den gjennomsnittlige partikkel-grupper fra et par av bilder som er atskilt med en kjent tidsforsinkelse. Hvert bilde er delt opp i et gitter av jevnt atskilt spørresignaler vinduer. Den vanligste avlesningsskjermbildet størrelse er 32 x 32 piksler. En algoritme beregner krysskorrelasjon funksjonen for alle spørresignalene vinduer, noe som resulterer i en forskyvningsvektor pr avlesningsskjermbildet og produserer derfor en regelmessig rutenett av vektorer. Splitte forskyvningsvektoren feltet ved tidsforsinkelse avgjør deretter hastighetsvektor feltet.
Ved planlegging av PIV målinger er det viktig å innse at typisk valg av eksperimentelle innstillinger er et kompromiss mellom motstridende krav. Med andre ord, den opplevdementale tilstander må være nøye planlagt for å fange opp aspekter av flyten som er av betydning for studien for hånden. Bøkene av Raffel et al. 1 og Adrian og Westerweel 2 gir gode dyptgående diskusjoner om disse begrensningene. Her kan vi markere flere som er mest kritiske i denne sammenheng.
Valget av feltet-of-view (FOV) vil angi startpunktet for parameteren utvalg her. Det antall piksler på kameraets brikken bestemmer deretter den romlig oppløsning og antall vektorer som er innhentet, forutsatt at man velger å benytte avlesningsskjermbildet størrelser på 32 x 32 piksler, ofte med en 50% overlapping i løpet av krysskorrelasjon prosedyre. En poding tetthet på 8-10 partikler per avlesningsskjermbildet er generelt ønskelig for å hjelpe krysskorrelasjon funksjon. Men det er spesielle algoritmer, for eksempel partikkel sporing velocimetry (PTV) og registrert gjennomsnittlig korrelasjon tilnærminger, som kanbrukes til å adressere situasjoner med lav tetthet såing (1-3 partikler / avlesningsskjermbildet) som er tilfellet med avbildning nær overflatene. Merk at hastighetsgradienter innenfor hver avlesningsskjermbildet bør være liten for å unngå en skjevhet i den resulterende representant vektor for det vinduet.
En etablert styre-tommel er at partikkel-forskyvninger mellom den første og andre ramme ikke bør overstige 8 piksler (? Av avlesningsskjermbildet størrelse) for å redusere antall sammenkobling tap (tap av partikkel-bilde blir plassert innenfor avlesningsskjermbildet fra den først ramme på den andre rammen) for korrelasjon. Som et resultat, har tiden mellom to påfølgende laserpulser (DT) for å bli justert tilsvarende. Imidlertid vil redusere dt under tilsvarende 8-pixel forskyvninger redusere hastigheten dynamiske området, fordi den nedre ende oppløsningsgrensen er av størrelsesorden 0,1 piksel forskyvning.
Ligner på 8-pixel forskyvning wmå du plassere TVen bildebehandling flyet, den høyeste hastigheten partiklene bør ikke krysse mer enn ¼ av lyset platetykkelse, igjen for å redusere antallet sammenkobling tap. Siden tidsforsinkelsen mellom de to laserpulser brukes for å sikre de beste korrelasjon innenfor lys ark flyet, er tykkelsen av arket en variabel i denne sammenheng. Mens ensartethet av lysintensiteten er ikke så kritisk som det er for intensitet-baserte målinger som planar laser-indusert fluorescens 3 bildebehandling, en nær top-hat bjelke profil hjelper PIV kvalitet, spesielt for høyere oppløsning imaging.
Generelt sett kan noen antakelser om innholdet av strømningen under studien brukes som et utgangspunkt i valget av eksperimentelle parametere. Deretter kan utforskende eksperimenter være nødvendig å avgrense innstillingene.
Her beskriver vi hvordan du setter opp en PIV eksperiment som tillater høy bildefrekvens bildebehandling målinger av to hastighet components med romlig oppløsning som er tilstrekkelig for å løse grenselaget strukturer. Dette gjøres med bruk av en høy-repetisjonsrate TEM 00 diode-pumpet solid-state laser, en langdistanse mikroskop, og en høy bildefrekvens CMOS kamera. Noen detaljer om bildebehandling nær overflater er også inkludert.
Som med alle optisk flyt måling teknikk, planlegging oppsettet av high-speed partikkel image velocimetry (PIV) krever vurdering av begrensninger og evaluering av beste kompromisser for måling oppgaven. Utvalget av bildet forstørrelse, bildefrekvens, laser ark egenskaper, og analysealgoritmer avhenge detaljer om flyten under studien. Hvis ikke, må utforskende målingene utføres for å identifisere parametre for high fidelity målinger.
Denne artikkelen beskriver den generelle prosedyren og noen eksempler på resultater for høyhastighets PIV å studere grenselaget av en strøm langs en flat plate. En sekvens av 500 bilder ble spilt inn på 5 kHz. En lang-distanse mikroskop ble brukt til å oppnå en 2,4 x 1,8 mm to felt-of-view plassert på platen overflate. Høy kvalitet belysning av frø olje dråper ble oppnådd med en bjelke fra en pulserende diode-pumpet solid-state laser som ble utvidet til en lys sheet bruke en bjelke homogenisator. Strålen homogenisator inneholder en mikro-linse utvalg består av små sylindriske linser og tilhørende integrert teleskop. Den mikro-linsegruppe utvider sirkulær stråle i vertikal retning ved å dele opp den innkommende strålen inn i beamlets. Deretter følgende teleskop overlagrer de beamlets for å skape et lys ark med jevn lysintensitet fordeling i lys ark plan normalt strålen forplantning. Bilder ble behandlet ved hjelp av en PIV krysskorrelasjon algoritme. Det bør bemerkes at en homogenisert bjelke er nyttig, særlig når man arbeider i nærheten av overflatene, men det er ikke avgjørende for den anvendelse som er beskrevet her.
Metoden er beskrevet i denne prosedyren muliggjør ikke-påtrengende høy oppløsning, høy hastighet undersøkelser av strømmer ved hjelp av robuste korrelasjon algoritmer. De viktigste fordelene med denne høy oppløsning, høy hastighet målemetode er høy romlig og tidsmessig oppløsning og evnen til å identifisere og sporeutviklingen av strukturer i strømningen. Ved hjelp av disse teknikker, 6 Alharbi og Jainski et al. Åtte har vist evne til å visualisere og spore vortex strukturer innenfor grensesjiktet for en forbrenningsmotor. Disse viktige funksjonene gjør undersøkelser på strukturen og dynamikken i svært forbigående renn. Videre kan PIV utvides utover den to-dimensjonale og to-komponent-(2D-2C) velocity felt (som beskrevet her) til å løse tre-komponenter (3C) i et plan (stereo-PIV) og i et volum (tomografisk PIV , skanning PIV, holografisk PIV). I tillegg kan PIV gjennomføres med andre teknikker som planar laser-indusert fluorescens (PLIF), filtrert Rayleigh spredning (FRS), og termografisk fosfor for å oppnå samtidige 2D målinger av hastighet og andre scalars (temperatur, arter konsentrasjon, likeverdighet forholdstall) 11 -14. Disse optisk, laser-baserte metoder kan bli brukt direkte til å undersøke masse ogenergi utvekslingsprosesser i mange applikasjoner, slik som nær-vegg flyter i en forbrenningsmotor.
The authors have nothing to disclose.
Dette materialet er basert på arbeidet støttes av det amerikanske National Science Foundation i henhold Grant No cbet-1032930 og arbeid utført ved University of Michigan Quantitative Laser Diagnostics Laboratory.
Name of Equipment | Company | Model | Comments |
High-speed 532 nm Nd:YAG laser | Quantronix | Model: Hawk I | |
Long distance microscope (QM-100) | Questar | Model: QM-100 | |
High-speed CMOS camera (Phantom v7.3) | Vision Research | Model: Phantom v7.3 | |
Atomizer (TSI 9306) | TSI | Model: 9306 | |
Silicone oil | Dow Corning CST 510 | CST 510 Fluid | |
Beam homogenizer | Fraunhofer | Custom made part | |
45° high-reflectivity (HR) 532 nm turning mirror | Laser Optik | Multiple suppliers | |
Aperture | Multiple suppliers | ||
Calibration target | Custom made part | ||
PIV recording and processing software | LaVision | Software: Da Vis | |
High-speed controller (HSC) | LaVision | ||
Optical rail and carriers | Multiple suppliers | ||
Laser beam blocks and traps | Multiple suppliers | ||
Mounts for optical elements | Multiple suppliers | ||
Translation stage | Newport | ||
Metal tubing to create jet flow | McMaster-Carr | Multiple suppliers | |
Combination square and centering square | Multiple suppliers |