Ett förfarande för att studera transienta flöden nära gränserna med hög upplösning, hög hastighet velocimetry partikel bild (PIV) beskrivs här. PIV är ett icke-påträngande mätteknik tillämplig på varje optiskt åtkomlig flöde genom att optimera flera parametrar begränsningar, till exempel bilden och inspelningen egenskaper, laser egenskaper ark och algoritmer analys.
Flerdimensionella och övergående flöden spelar en viktig roll inom många områden av vetenskap, teknik och naturvetenskap hälsa men är ofta inte väl förstådd. Den komplexa naturen av dessa flöden kan studeras med hjälp velocimetry partikel bild (PIV), en laserbaserad bildteknik för optiskt tillgängliga flöden. Även om många former av PIV finns att förlänga tekniken utöver den ursprungliga plana tvåkomponents hastighet mätmöjligheterna, består det grundläggande PIV-systemet av en ljuskälla (laser), en kamera, partiklar spårämne, och algoritmer analys. Den avbildning och inspelning parametrar, ljuskällan och algoritmer justeras för att optimera inspelningen för flödet av intresse och få giltiga hastighetsdata.
Gemensam PIV undersökningar mäter tvåkomponents hastigheter på ett plan i ett fåtal bildrutor per sekund. Dock har den senaste utvecklingen inom instrumentering underlättade hög bildhastighet (> 1 kHz) mätningar kan lösa övergångsent flöden med hög tidsupplösning. Därför hög bildhastighet mätningar har möjliggjort undersökningar om utvecklingen av strukturen och dynamiken av mycket transienta flöden. Dessa utredningar spelar en avgörande roll för att förstå den grundläggande fysiken i komplexa flöden.
En detaljerad beskrivning för att utföra hög upplösning, hög hastighet plan PIV att studera en transient flöde nära ytan av en plan platta presenteras här. Mer information om justering av parameter begränsningar, till exempel bild-och inspelning, laser arkegenskaper och bearbeta algoritmer för att anpassa PIV för någon ränteflödet ingår.
Multi-dimensionella mätningar av hastigheter och möjligheten att spåra flödet fältet i tid ger viktig information i många områden av vetenskap, teknik och hälsovetenskap. Bland de mest använda teknikerna för flow imaging är partikel bild velocimetry (PIV). Initialt etablerat som en plan teknik som uppmätts ögonblicksbilder av de två i planet komponenter hastighet, har PIV varianter har utvecklats för att ge tre-komponent och volymmätning kapacitet. Alla PIV-system består av spårämne partiklar, en eller flera ljuskällor och en eller flera kameror. Fasta partiklar eller droppar används ofta som spårämne partiklar men bubblor inneboende i flödet kan också användas som spårämne partiklar. Kameran (er) därefter bild (er) spritt eller emitterat ljus utifrån spår-partiklarna efter det att de bestrålas av ljuskällan (s). Bland det breda spektrum av variationer 1,2 den vanligaste fångar två hastighetskomponenter i ett plan på en råttae av ett fåtal bildrutor per sekund. På senare tid har ny instrumentering aktiverat hög bildhastighet mätningar (> 1 kHz) som följer flödet vid turbulenta tidsskalor i kHz.
PIV bestämmer en hastighet fält genom att spåra den genomsnittliga rörelse partikel grupper från ett par bilder som är avgränsade med en känd tidsfördröjning. Varje bild delas upp i ett rutnät av regelbundet åtskilda frågesignaler fönster. Den vanligaste förhör fönstrets storlek är 32 x 32 pixlar. En algoritm beräknar korskorrelationsfunktionen för alla frågesignalema fönster, vilket resulterar i en förskjutningsvektor per förhör fönster och därför ger ett regelbundet rutnät av vektorer. Dela upp fältet förskjutningsvektorn av tidsfördröjning bestämmer sedan fältet hastighetsvektor.
Vid planering PIV mätningar är det viktigt att inse att normalt valet av experimentella inställningar är en kompromiss mellan motstridiga krav. Med andra ord, de erfarenpsykiska tillstånd måste noga planeras för att fånga aspekter av flödet som är av betydelse för studien till hands. Böckerna från Raffel et al. 1 och Adrian och Westerweel 2 ger utmärkt ingående diskussioner av dessa begränsningar. Här lyfter vi fram flera som är mest kritiska i detta sammanhang.
Valet av fält-of-view (FOV) kommer ställa in startpunkten för parametern val här. Antalet pixlar på kameran chip bestämmer sedan den rumsliga upplösningen och antalet vektorer som erhålls, under förutsättning att man väljer att använda storlekar förhörsmetoder fönster på 32 x 32 pixlar, ofta med en 50% överlappning under korskorreleringen förfarande. En såddtäthet av 8-10 partiklar per förhör fönster är i allmänhet önskvärt att hjälpa korskorrelationsfunktionen. Men det finns speciella algoritmer, såsom partikel tracking Velocimetry (PTV) och tidsmedelvärderad metoder korrelation, som kananvändas för att hantera situationer med låg såddtäthet (1-3 partiklar / förhör fönster) som är fallet med avbildning nära ytor. Observera att hastighetsgradienter inom varje förhör fönster bör vara liten för att undvika en snedvridning i den resulterande representativ vektor för det fönstret.
En etablerad regel-of-tumme är att partikeln förskjutningar mellan den första och andra ramen inte bör överstiga 8 pixlar (¼ av förhöret fönstrets storlek) för att minska antalet para ihop förluster (förlust av partikel bilder i förhör fönstret från första ramen till den andra ramen) för korrelationen. Som ett resultat, har tiden mellan de två på varandra följande laserpulser (dt) som skall justeras i enlighet därmed. Dock kommer reducerande dt lägre än summan av 8-pixel förskjutningar minska hastigheten dynamiska området eftersom den nedre änden upplösningsgräns är i storleksordningen av 0,1 pixel deplacement.
Liknar den 8-pixel förskjutning wnom avbildningsplanet, de högsta hastighet partiklama inte bör korsa mer än en fjärdedels ljuset plåttjocklek, igen för att minska antalet ihopparning förluster. Eftersom tidsfördröjningen mellan de två laserpulser används för att säkerställa bästa korrelationerna inom ljuset plåtplanet, är tjockleken på plåten en variabel i sammanhanget. Medan likformigheten av ljusintensiteten är inte så kritisk som det är för intensitet-baserade mätningar liksom plana laserinducerad fluorescens avbildning 3, en nära top-hat strålprofil hjälper PIV kvalitet, särskilt för högre upplösning.
I allmänhet kan vissa antaganden om naturen av flödet som studeras användas som utgångspunkt i valet av experimentella parametrar. Då kanske undersökande experiment behövas för att förfina inställningarna.
Här beskriver vi hur du ställer in en PIV experiment som möjliggör hög bildhastighet mätningar ränta avbildning av två velocity components med rumslig upplösning som är tillräcklig för att lösa strukturer gränsskiktet. Detta åstadkommes med användning av en hög-repetitionshastighet TEM 00 diod-pumpad fastkroppslaser, en långväga mikroskop, och en hög bildhastighet CMOS-kamera. Några detaljer om avbildning nära ytor ingår också.
Som med alla optiska flödesmätning teknik, planering av installation av höghastighetståg partikel bild velocimetry (PIV) kräver en bedömning av begränsningar och utvärdering av bästa kompromisser för mätning uppgiften. Valet av bildförstoring, bildhastighet, laser egenskaper plåt, och algoritmer analys beror på detaljerna i flödet enligt studien. Om det behövs, måste förberedande mätningar genomföras för att identifiera parameterinställningar för hifi mätningar.
I den här artikeln beskrivs det allmänna förfarandet och några testresultatets för höghastighetståg PIV att studera gränsskiktet av ett flöde längs en plan platta. En sekvens av 500 bilder registrerades vid 5 kHz. En långväga mikroskop användes för att åstadkomma en 2,4 x 1,8 mm 2 fält-of-view belägen vid plattans yta. Hög kvalitet belysning av dropparna fröolja uppnåddes med en stråle från en pulsad diod-pumpad fastkroppslaser som utökades till en lätt sheet med användning av en stråle homogenisator. Balken homogeniseraren innehåller en mikro-linssystem består av små cylindriska linser och en extra, integrerat teleskop. Den mikro-linssystem expanderar cirkulär stråle i den vertikala riktningen genom att dela upp den inkommande strålen i beamlets. Därefter följande teleskopet överlagrar de beamlets för att skapa en lätt ark med ett jämnt ljus intensitetsfördelning i ljuset plåtplanet normal till balken förökning. Bilderna har bearbetats med en PIV korskorrelation algoritm. Det bör noteras att en homogeniserad balk är användbar, speciellt vid hantering nära ytor, men det är inte avgörande för det användningsområde som anges här.
Den metod som beskrivs i denna procedur möjliggör icke-störande med hög upplösning, hög hastighet undersökningar av flöden med hjälp av robusta korrelationsalgoritmer. De viktigaste fördelarna med denna högupplösta, hög hastighet mätteknik är hög spatial och temporal upplösning och förmågan att identifiera och spårautvecklingen av strukturer i flödet. Med hjälp av dessa tekniker, Alharbi 6 och Jainski et al. 8 har visat förmåga att visualisera och spåra vortex strukturer inom gränsskiktet av en förbränningsmotor. Dessa viktiga funktioner möjliggöra utredningar om struktur och dynamik av mycket transienta flöden. Vidare kan PIV utökas bortom tvådimensionella, två-komponent (2D-2C) hastighet fält (som beskrivs här) för att lösa 3-komponenterna (3C) i ett plan (stereo-PIV) och i en volym (tomografisk PIV , skanning PIV, holografisk PIV). Dessutom kan PIV implementeras med andra tekniker såsom plana laser-inducerad fluorescens (PLIF), filtrerades Rayleighspridning (FRS), och termografiska fosfor för att uppnå samtidiga 2D mätningar av hastighet och andra skalärer (temperatur, art koncentration, ekvivalensförhållanden) 11 -14. Dessa optiska, laser-baserade metoder kan tillämpas direkt för att undersöka massa ochEnergy Exchange processer i många tillämpningar, till exempel nära väggen strömmar i en förbränningsmotor.
The authors have nothing to disclose.
Detta material är baserat på arbete stöds av US National Science Foundation i Grant No CBET-1032930 och arbete som utförs vid University of Michigans Kvantitativ 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 |