Métodos para medir a orientação e rotação Taxa de partículas em Turbulência 3D-impressos

Resumo

Usamos a impressão 3D para fabricar partículas anisotrópicas na forma de macacos, cruzes, tétrades e tríades, cujos alinhamentos e rotações no fluxo turbulento de fluidos podem ser medidos a partir de várias imagens de vídeo simultâneas.

Resumo

Métodos experimentais são apresentados para medir o movimento de rotação e de translação de partículas anisotrópicos em fluxos de fluido turbulentos. A tecnologia de impressão 3D é usado para fabricar partículas com braços delgados ligados a um centro comum. Shapes exploradas são cruzes (duas hastes perpendiculares), macacos (três hastes perpendiculares), tríades (três hastes na simetria planar triangular), e tetrads (quatro braços em simetria tetraédrica). Métodos para a produção da ordem de 10.000 partículas tingidos fluorescentemente são descritos. Medições resolvida no tempo da respectiva orientação e taxa de rotação de corpo sólido são obtidos a partir de quatro vídeos sincronizados de seu movimento em um fluxo turbulento entre grades oscilantes com R _λ = 91. Neste Reynolds baixo fluxo relativamente número, as partículas advectado são pequenos o suficiente que se aproximem partículas tracer elipsoidais. Nós apresentamos resultados de trajetórias 3D resolvidas no tempo de posição e orientação das partículas comobem como medições das suas velocidades de rotação.

Introdução

Em recente publicação, que introduziu o uso de partículas feitas a partir de múltiplos braços delgados para medir o movimento rotacional de partículas na turbulência ^1. Estas partículas podem ser fabricadas usando impressoras 3D, e é possível medir com precisão a sua posição, orientação e taxa de rotação usando múltiplas câmeras. Usando ferramentas de teoria de corpo delgado, pode ser demonstrado que estas partículas têm elipsóides eficazes ² correspondente, e os movimentos de rotação destas partículas são idênticos àqueles dos respectivos elipsóides eficazes. Partículas com braços simétricos de comprimento igual giram como esferas. Uma tal part....

Protocolo

1. Fabricação de Partículas

1. Use um programa de Redação Computer Aided 3D para criar modelos de partículas. Exportar um arquivo por modelo em um formato de arquivo que pode ser processado pela impressora 3D usado.
   1. Use o comando Círculo para desenhar um círculo com um diâmetro de 0,3 mm. Utilizar a função de extrusão para fazer um cilindro com um comprimento de 3 mm.
   2. Faça uma cruz com dois cilindros ortogonais com um centro comum; fazer uma tomada com três cilindros ortogonais entre si, com um centro comum; fazer uma tetrad com quatro cilindros a partilha de um fim comum a 109,5 ° ângulos de um para o outro; fazer uma tríade com três cilin....

Resultados

A Figura 3a mostra uma imagem de um tétrade de uma das nossas câmaras acima de uma trama do ângulos de Euler obtido a partir de uma secção da sua trajectória (Figura 3c). Na Figura 3b, os resultados do algoritmo de encontrar orientação, descrito no protocolo 5-5,3, são sobrepostos na imagem de tétrade. Os braços de tétrade na Figura 3a não seguem as distribuições de intensidade simples que são utilizados para criar o mod.......

Discussão

As medições da vorticidade e rotação de partículas no fluxo de fluido turbulento têm sido reconhecidos como metas importantes em mecânica dos fluidos experimentais. A rotação do corpo sólido de pequenas esferas em turbulência é igual a metade da vorticidade fluido, mas a simetria rotacional de esferas fez a medição directa da sua rotação de corpo sólido difícil. Tradicionalmente, a vorticidade fluido foi medida usando complexo, multi-sensor, hot-wire sondas ^14. Mas estes sensores só obter medições de vorticid.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Condor Nd:YAG 50 W laser	Quantronics	532-30-M
Câmera de alta velocidade	Basler	A504k
Câmera de alta velocidade	Mikrotron	EoSens Mc1362
Rodamina-B		ScienceLab.com SLR1465
Hidróxido de Sódio	Macron	7708	Pellets.
500 Impressora 3D Connex	Objet		Usado para fazer partículas menores. Partículas encomendadas de RP+M (prototipagem rápida mais fabricação).
VeroClear	Stratasys	RGD810	Material de construção Objet.
Resina de Fotopolímero Clear Form 1	Formlabs
Lentes
Lentes			F-mount.
Banho ultrassônico	Sonicator
Cloreto de cálcio	Spectrum Chemical Mfg. Corp.	CAS 10043-52-2	Pellets.
Software de projeto de sistemas LabVIEW	National Instruments		Usado para acionar câmeras, grade de controle e disparar laser.
Software XCAP	EPIX		Usado com o LabVIEW para acionar câmeras.
MATLAB	Mathworks		Usado para todas as análises de imagens e dados. Programas para extrair orientações 3D de várias imagens estão incluídos nesta publicação.
OpenPTV: Velocimetria de rastreamento de partículas de código aberto	OpenPTV Consortium
ParaView	Kitware
AutoCAD	AutoDesk		Usado para projetar todas as partículas. As capturas de tela de designs de partículas são todas do AutoCAD.
Malha com furos de 0,040 x 0,053 polegadas	Rede Industrial	XN5170- 43.5
Filtros de câmera	Schneider Optics	B+W 040M

cilíndricas e esféricas de câmera macro de 200 mm