En procedure for at studere forbigående strømme nær grænserne ved hjælp af høj opløsning, high-speed partikel billedet Velocimetri (PIV) er beskrevet her. PIV er en ikke-påtrængende måleteknik anvendelse på enhver optisk tilgængelig flow ved at optimere flere parameter begrænsninger såsom billed-og indspilning egenskaber, laser sheet egenskaber og analyser algoritmer.
Multi-dimensional og forbigående strømme spiller en central rolle i mange områder af videnskab, teknik og sundhedsvidenskab, men er ofte ikke godt forstået. Den komplekse karakter af disse strømme kan studeres ved hjælp af partikel billedet Velocimetri (PIV), et laserbaseret imaging teknik til optisk tilgængelige strømme. Selvom mange former for PIV findes at udvide teknikken ud over den oprindelige plane tokomponent hastighedsmåling kapaciteter, det grundlæggende PIV systemet består af en lyskilde (laser), et kamera, sporstof partikler, og analysealgoritmer. De billeddannende og registrering parametre lyset kilde, og de algoritmer er justeret for at optimere optagelsen for strømmen af interesse og få gyldige hastighed data.
Fælles PIV undersøgelser måler to-komponent hastigheder i et plan på et par frames per sekund. Imidlertid har den seneste udvikling i instrumentering lettede high-frame rate (> 1 kHz) målinger stand til at løse overgangenent flyder med høj tidslig opløsning. Derfor er høj-frame rate målinger aktiverede undersøgelser om udviklingen i struktur og dynamik af meget forbigående strømme. Disse undersøgelser spiller en kritisk rolle i forståelsen af grundlæggende fysik af komplekse strømme.
En detaljeret beskrivelse til udførelse høj opløsning, høj hastighed plane PIV at studere en forbigående strømning nær overfladen af en flad plade præsenteres her. Detaljer for at justere parameter begrænsninger såsom image og optagelse egenskaber, laser arkegenskaber og algoritmer til at tilpasse PIV for enhver strøm af renter er inkluderet.
Multi-dimensional målinger af hastigheder og evnen til at spore flowet felt i tiden give kritisk information på mange områder inden for videnskab, teknik og sundhedsvidenskab. Blandt de mest anvendte teknikker til flow imaging er partikel billedet Velocimetri (PIV). Oprindeligt etableret som en planar teknik, målte snapshots af de to in-plane hastighedskomponenter har PIV varianter er udviklet til at give tre-komponent-og volumetrisk måling kapaciteter. Alle PIV systemer består af sporstof partikler, en eller flere lyskilder og én eller flere kameraer. Faste partikler eller dråber er almindeligt anvendt som sporstof partikler men bobler iboende i strømmen, kan også anvendes som tracer partikler. Kameraet (r) og derefter billede (r) spredt eller udsendte lys fra sporstof partikler efter at de er bestrålet med lyskilden (r). Blandt den brede vifte af variationer 1,2 den mest almindelige fanger to hastighedskomponenter i et plan en rottee på et par frames per sekund. For nylig er ny instrumentering aktiveret high-frame rate målinger (> 1 kHz), der følger flowet ved turbulente tidsskalaer i kHz.
PIV bestemmer en hastighed felt ved at spore den gennemsnitlige bevægelse af partikel-grupper fra et par af billeder, der er adskilt af en kendt tidsforsinkelse. Hvert billede er opdelt i et gitter af regelmæssigt fordelte forhørsmetoder vinduer. Den mest almindelige forhør vinduets størrelse er 32 x 32 pixels. En algoritme beregner krydskorrelationsfunktionen for alle forhørsmetoder vinduer, hvilket resulterer i en forskydningsvektoren pr forhør vindue og frembringer derfor en regelmæssig gitter af vektorer. Dividere forskydningsvektoren feltet ved tidsforsinkelse bestemmer derefter hastighedsvektoren feltet.
Når man planlægger PIV målinger er det vigtigt at indse, at typisk valget af forsøgsopstillingen er et kompromis mellem modstridende krav. Med andre ord, de erfaringer,psykiske forhold skal planlægges omhyggeligt for at indfange de aspekter af flow, der er af betydning for undersøgelsen ved hånden. De bøger af Raffel et al. 1, og Adrian og Westerweel 2 giver gode dybtgående drøftelser af disse begrænsninger. Her fremhæver vi flere, der er mest kritiske i denne sammenhæng.
Valget af field-of-view (FOV), vil sætte udgangspunktet for parameter valg her. Antallet af pixels på kameraet chippen bestemmer derefter den rumlige opløsning, og antallet af vektorer, der opnås, forudsat at man vælger at bruge forhør vinduesstørrelser på 32 x 32 pixels, ofte med et overlap på 50% i løbet krydskorrelationen procedure. En podningstæthed på 8-10 partikler pr forhør vindue er generelt ønskeligt at hjælpe krydskorrelationsfunktionen. Men der er særlige algoritmer, såsom partikel Velocimetry Tracking (PTV) og tidsgennemsnit korrelation fremgangsmåder, der kananvendes til at tage højde for situationer med lav podningstæthed (1-3 partikler / forhør rude) som det er tilfældet med billeddannelse nær overflader. Bemærk at hastighedsgradienter i hver forhør vindue skal være lille for at undgå en skævhed i den resulterende repræsentative vektor for dette vindue.
En etableret-reglen tommelfingerregel er, at partikel-forskydninger mellem den første og anden ramme ikke bør overstige 8 pixels (¼ af interrogationssignalet vinduesstørrelse) for at reducere antallet af parring tab (tab af partikel billeder i forhør vinduet fra den første ramme til den anden ramme) for korrelation. Som et resultat heraf har tiden mellem to på hinanden følgende laserpulser (dt), der skal tilpasses. Imidlertid vil en reduktion dt under tilsvarende 8-pixel forskydninger reducere hastigheden dynamikområde fordi den nedre ende opløsning grænse er af størrelsesordenen 0,1 pixel forskydning.
Svarende til 8-pixel forskydning wnden billedplanet, højeste hastighed partikler må ikke krydse mere end ¼ af lys pladetykkelse, igen for at reducere antallet af parring tab. Da tidsforsinkelsen mellem to laserpulser bruges til at sikre de bedste korrelationer inden lyspladen flyet, tykkelsen af pladen er en variabel i denne sammenhæng. Mens ensartetheden af lysintensiteten ikke er så kritisk, som det er for intensitet-baserede målinger såsom plane laser-induceret fluorescens billeddannelse 3, en nær top-hat stråle profil hjælper PIV kvalitet, især for højere opløsning billeddannelse.
I almindelighed kan nogle antagelser om naturen af strømmen under undersøgelsen anvendes som udgangspunkt i udvælgelsen af eksperimentelle parametre. Så måske sonderende eksperimenter være nødvendige for at forfine indstillingerne.
Her beskriver vi, hvordan du oprette en PIV eksperiment, der giver høje frame rate billeddannelse målinger af to velocity componeNTS med rumlig opløsning, der er tilstrækkelige til at løse grænselag strukturer. Dette er opnået med anvendelse af en høj-impulsfrekvens TEM 00 diode-pumpet solid-state laser, en langdistance-mikroskop, og en høj rammehastighed CMOS kamera. Et par detaljer om billedbehandling nær overflader er også inkluderet.
Som med enhver optisk flowmåling teknik kræver planlægning opsætning af high-speed partikel billedet Velocimetri (PIV) vurdering af begrænsninger og evaluering af de bedste kompromiser til måling opgave. Udvælgelsen af forstørrelsen, frame rate, laser arkegenskaber, og analysealgoritmer afhænger detaljer af strømmen under undersøgelse. Om nødvendigt må sonderende målinger udføres for at identificere parameterindstillinger til high fidelity målinger.
Denne artikel beskriver den generelle procedure og nogle prøveresultaterne til high-speed PIV at studere grænselaget af strømning langs en flad plade. En sekvens af 500 billeder blev optaget ved 5 kHz. En langdistance mikroskop blev anvendt til at opnå en 2,4 x 1,8 mm 2 field-of-view placeret på pladens overflade. Høj kvalitet belysning af frø oliedråber blev opnået med en stråle fra en pulserende diode-pumpet solid-state laser, der blev udvidet i en lys sheet hjælp af en stråle homogenisator. Strålen Homogenisatoren indeholder en mikro-Linsearrayet består af små cylindriske linser og en ekstra, integreret teleskop. Den mikro-linsearray udvider cirkulære stråle i lodret retning ved at opdele den indkommende stråle ind beamlets. Derefter følgende teleskop Indkopierer beamlets at skabe en lys plade med en jævn lysintensitet fordeling i lyset ark plan normalt på bjælken formering. Billeder blev behandlet ved hjælp af en PIV krydskorrelation algoritme. Det skal bemærkes, at en homogeniseret stråle er nyttige, især når de arbejder i nærheden overflader, men det er ikke afgørende for anvendelsen beskrevet her.
Metoden i denne procedure gør det muligt ikke-indgribende høj opløsning, høj hastighed undersøgelser af strømme ved hjælp af robuste korrelation algoritmer. De vigtigste fordele ved denne høje opløsning, high-speed måleteknik er høj rumlig og tidsmæssig opløsning og evnen til at identificere og sporeudviklingen af strukturer i strømmen. Ved hjælp af disse teknikker, Alharbi 6 og Jainski et al. 8. have demonstreret evne til at visualisere og spore vortex strukturer i grænselaget af en forbrændingsmotor. Disse centrale funktioner muliggøre undersøgelser på struktur og dynamik af meget forbigående strømme. Endvidere kan PIV udvides ud over den to-dimensionale, to-komponent (2D-2C) hastighedsfelter (som beskrevet her) for at løse 3-komponenter (3C) i et plan (stereo-PIV) og i et volumen (tomografisk PIV , scanning PIV, holografisk PIV). Derudover kan PIV gennemføres med andre teknikker såsom plane laser-induceret fluorescens (PLIF), filtreret Rayleigh scattering (FRS) og termografiske fosfor for at opnå samtidige 2D målinger af hastighed og andre skalarer (temperatur, art koncentration, ækvivalensforhold) 11 -14. Disse optiske, laser-baserede metoder kan anvendes direkte til at undersøge masse ogEnergy Exchange processer i mange applikationer, såsom nær-væg flyder i en forbrændingsmotor.
The authors have nothing to disclose.
Dette materiale er baseret på arbejde, støttet af den amerikanske National Science Foundation under Grant No CBET-1032930 og arbejde udført på 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 |