Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

أساليب لقياس التوجيه ودوران معدل الجسيمات في الاضطرابات 3D-طباعة

Published: June 24, 2016 doi: 10.3791/53599
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Physics, Wesleyan University

Abstract

وتعرض الطرق التجريبية لقياس الحركة الدورانية ومتعدية من الجسيمات متباين الخواص في تدفقات السوائل مضطربة. يستخدم تكنولوجيا الطباعة 3D لصنع جزيئات مع الأسلحة نحيلة اتصال في مركز مشترك. الأشكال استكشافها هي الصلبان (اثنين من قضبان عمودية)، والرافعات (ثلاثة قضبان عمودية)، الثلاثيات (ثلاثة قضبان في التماثل مستو الثلاثي)، وtetrads (أربعة أذرع في تماثل رباعي السطوح). وصفت وسائل لإنتاج بناء على أمر من 10000 الجسيمات مصبوغ fluorescently. ويتم الحصول على قياسات وقت حل ميولهم ومعدل دوران جسم صلب من أربعة أشرطة الفيديو متزامنة الحركة في تدفق المضطرب بين تتأرجح شبكات مع R λ = 91. في هذا رينولدز انخفاض تدفق نسبيا العدد، والجسيمات advected هي صغيرة بما يكفي أنها تقارب جزيئات التتبع بيضاوي. نقدم نتائج مسارات 3D وقت حل من موقف واتجاه الجزيئاتكذلك قياسات معدلات دورانها.

Introduction

في منشور صدر مؤخرا، قدمنا ​​استخدام الجزيئات المصنوعة من الأسلحة نحيلة متعددة لقياس الحركة الدورانية من الجسيمات في الاضطرابات 1. يمكن أن تكون ملفقة هذه الجزيئات باستخدام طابعات 3D، وأنه من الممكن لقياس بدقة موقفهم، والتوجه، ومعدل دوران باستخدام كاميرات متعددة. استخدام أدوات من نظرية الجسم نحيلة، فإنه يمكن إثبات أن هذه الجسيمات قد الموافق القطع الناقص فعالة 2، وحركة دوران هذه الجسيمات مماثلة لتلك القطع الناقص فعالة لكل منهما. الجسيمات مع الأسلحة متماثل متساوية الطول تدوير مثل المجالات. واحدة من هذه الجسيمات هو جاك، الذي يضم ثلاثة الأسلحة المتعامدة تعلق في وسطها. يمكن تعديل أطوال النسبية لأحضان جاك تشكيل يعادل الجسيمات إلى أي الإهليلجي ثلاثي محوري. إذا تم تعيين طول ذراع واحدة تساوي الصفر، وهذا يخلق الصليب، الذي هو قرص الإهليلجي ما يعادلها. الجسيمات مصنوعة من رشاقةتأخذ الأسلحة تصل نسبة ضئيلة من حجم الصلبة من نظرائهم بيضاوي الصلبة الخاصة بهم. ونتيجة لذلك، فإنها الرواسب ببطء أكثر، مما يجعلها أسهل في مباراة الكثافة. وهذا يسمح للدراسة الجسيمات أكبر بكثير مما هو مريحة مع جزيئات بيضاوي الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، والتصوير لا يمكن أن يؤديها في تركيزات الجسيمات أعلى من ذلك بكثير لأن الجزيئات كتلة جزء صغير من الضوء من الجزيئات الأخرى.

في هذه الورقة، يتم توثيق أساليب لتصنيع وتتبع الجسيمات مطبوعة 3D. وقد تم تطوير أدوات لتتبع حركة متعدية من جسيمات كروية من المواقف الجسيمات كما يراها كاميرات متعددة من قبل عدة مجموعات 3،4. بارسا وآخرون. 5 بمد هذا النهج لتعقب قضبان باستخدام الموقف والتوجه للقضبان اطلعت عليها كاميرات متعددة. هنا، فإننا نقدم طرق لافتعال الجسيمات من مجموعة واسعة من الأشكال وإعادة توجهاتها 3D. وهذا يوفر عشره إمكانية لتوسيع تتبع 3D من الجزيئات ذات الأشكال المعقدة لمجموعة واسعة من التطبيقات الجديدة.

هذه التقنية لديها امكانات كبيرة لمزيد من التطوير بسبب مجموعة واسعة من الأشكال الجسيمات التي يمكن تصميمها. العديد من هذه الأشكال أن تكون لها تطبيقات مباشرة في التدفقات البيئية، حيث العوالق، والبذور، وبلورات الثلج يأتي في مجموعة واسعة من الأشكال. اتصالات بين دورات الجسيمات والممتلكات على نطاق صغير الأساسية للتدفقات المضطربة 6 تشير إلى أن دراسة تناوب هذه الجسيمات توفر طرق جديدة للنظر في عملية شلال المضطربة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تصنيع جسيمات

  1. استخدام برنامج صياغة بمساعدة الحاسوب 3D لخلق نماذج الجسيمات. تصدير ملف واحد لكل نموذج في تنسيق الملف التي يمكن معالجتها من قبل الطابعة 3D المستخدمة.
    1. استخدام الأمر الدائرة لرسم دائرة بقطر 0.3 مم. استخدام وظيفة قذف لجعل اسطوانة بطول 3 مم.
    2. جعل الصليب مع اثنين من اسطوانات متعامد مع مركز مشترك. جعل جاك مع ثلاث اسطوانات متعامدة بعضها البعض مع مركز مشترك. جعل الرباعيات مع أربع اسطوانات تبادل غاية مشتركة في 109.5 درجة الزوايا لبعضها البعض. جعل ثالوث مع ثلاث اسطوانات في طائرة تبادل غاية مشتركة في 120 درجة الزوايا لبعضها البعض.
    3. لإمالة اسطوانات (وتسمى الآخرة "الأسلحة" للجسيمات) مع الاحترام لبعضنا البعض، استخدم الأمر تدوير 3D لرسم خط في جميع أنحاء القطر للدائرة في أحد طرفيه ثم أدخل زاوية المرجوة من التناوب.
    4. استخدام قيادة الاتحاد إلى جوفي أحضان المختلفة معا في وجوه ماء واحد.
    5. استخدام استدارة 3D مرة أخرى لإمالة الكائن بحيث لا الأسلحة هي على طول المحاور العمودية أو الأفقية، لأن الأسلحة التي تقع على طول هذه المحاور تميل إلى أن تكون العيوب، وقطع أكثر سهولة، أو تتسطح بها.
    6. تصدير كل كائن في ملف منفصل في شكل يمكن استخدامها من قبل طابعات 3D.
  2. طلب ما يقرب من 10،000 جسيمات من كل نوع من مصدر تجاري متخصص في المضافات التصنيع أو طباعتها في منشأة المتاحة. يجب أن تكون مطبوعة على طابعة الجسيمات البثق البوليمر يستخدم مصفوفة دعم المواد المختلفة التي يمكن حلها بعيدا.
    1. ترتيب جزيئات ثلاثة أسابيع أو أكثر قبل أن يتم التخطيط التجارب لأن ترتيب وطباعة العديد من الجزيئات هو عملية بطيئة. تأكد من أن جزيئات تطبع على "واسطة عالية الدقة" لأن الجزيئات قرب الحد الأدنى لحجم سمة من سمات العديد من الطابعات 3D ولسوف التربيعي لا يكون متماثل حيث وقد كسر إذا المطبوعة في دقة أقل.

2. إعداد الجسيمات

  1. إعداد محلول الملح الذي الجسيمات هي مزدهرة بشكل محايد للحد من الأسلحة الجسيمات الانحناء أثناء التخزين وذلك أن قوى الجاذبية والطفو لا يجب أن تمثل في التحليل.
    1. اختبار متوسط ​​كثافة الجسيمات عن طريق غمر جزيئات في حلول من المياه المخلوطة مع كلوريد الكالسيوم (CaCl 2) بكثافة حول 1.20 جم / سم 3.
      1. لتحديد كثافة الماء، والصفر أول نطاق وبينما فارغة 100 مل قارورة حجمية هي على أعلى من ذلك. خذ قنينة من وملئه بالماء الممزوج CaCl 2. ضع قارورة الظهر فوق نطاق وتقسيم الكتلة التي قدمها 100 مل.
        ملاحظة: لأن 1 مل = 1 سم 3، 1 غرام / مل = 1 جم / سم 3.
      2. جسيمات الاختبار في العديد من الكثافة حل مختلفة، تتراوح ما بين 1.16 جم / سم 3 حتي 1،25 جم / سم 3، في ما يقرب من 0.01 جم / سم 3 الزيادات. اختبار جزيئات متعددة في كل الكثافة لأن ليس كل الجسيمات سيكون لها نفس الكثافة: في نفس الحل، فإن بعض المصارف، وبعض سيكون مزدهرا بشكل محايد، وبعض سوف تطفو.
    2. سجل الذي جسيمات كثافة هي، في المتوسط، ازدهار محايد بعد عدة ساعات.
      ملاحظة: كثافة وجدت قد تكون مختلفة كثيرا عن الكثافة الظاهرية ونقلت من قبل الشركات المصنعة الجسيمات.
    3. مزيج حوالي 400 كيلوغرام من CaCl 2 إلى حوالي 1600 لتر من الماء حتى الحل هو في كثافة المسجلة في 2.1.1 - 2.1.2.
    4. إزالة حوالي 1 لتر من هذا الحل المختلط لكل نوع الجسيمات (الرافعات، tetrads، الخ) لاستخدامها في تخزين الجسيمات. عقد كل ليتر في حاوية مختلفة في درجة حرارة الغرفة. تخزين ما تبقى من الحل في درجة حرارة الغرفة في خزان كبير.

في صفحة = "دائما"> شكل 1
الشكل 1. جاك في مراحل مختلفة من إزالة الراتنج. أ) كتل الراتنج الدعم الذي تصل الجسيمات في. ب) كتلة واحدة وفصلها عن بقية. م) مراحل متعددة من إزالة الراتنج الذي قامت به اليد. و) وحيد جاك بعد الحمام هيدروكسيد الصوديوم والرودامين-B صبغ. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. يدويا تخفيف الدعم المادي الذي جزيئات تأتي المغطى عن طريق كسر بلطف قطع كبيرة (~ 5 مم × 320 مم، جزء منها هو مبين في الشكل 1A) إلى أقسام صغيرة (~ 5 مم × 5 مم، الشكل 1B)، ثم يدويا تدليك كل قسم حتى أصبح الكثير من الراتنج الزائد (الشكل 1C-ه). ازالتهاالبريد الراتنج الزائدة في هذه الطريقة لتقليل كمية من محلول هيدروكسيد الصوديوم التي سوف تحتاج إلى أن تنشأ عن الخطوات 2.2.1 - 2.2.4.
    1. وضع كتلة راتنج المتبقية في 10٪ من هيدروكسيد الصوديوم الشامل (هيدروكسيد الصوديوم) حل مغمورة في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة ساعة واحدة. الراتنج هو مادة مختلفة من الجزيئات، وبالتالي فإن هيدروكسيد الصوديوم إزالة الراتنج دون أن يؤثر ذلك بشكل دائم الجسيمات.
      حذرا: الحل هو تآكل وسيحصل حين الساخن في حمام بالموجات فوق الصوتية.
    2. تصفية الجسيمات.
      1. لتصفية الجزيئات، وخلق قمع باستخدام المعاوضة مع 0.1016 سم × 0.13462 الثقوب سم من البلاستيك. عقد قمع على حاوية لاستخدامها للتخلص من محلول هيدروكسيد الصوديوم وتصب ببطء الحل من خلال. التخلص من محلول هيدروكسيد الصوديوم وفقا للمبادئ التوجيهية الصحة والسلامة البيئية.
    3. الجسيمات شطف بلطف بالماء قبل الغطس في جديدة 10٪ من الكتلة محلول هيدروكسيد الصوديوم في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة نصف ساعة أخرى. تصفية الجسيمات كما هو الحال في 2.2.2.1 وتخزينها في حل يقابل كثافة فصل في 2.1.4 في حين أنها تتصلب. التعامل مع الجسيمات بعناية لمحلول هيدروكسيد الصوديوم يخفف مؤقتا لهم.
      ملاحظة: إذا لم يتم تخزين جزيئات في حل يقابل الكثافة، قد ينحني بعض الأسلحة. ابقائها منغمسين في حل يقابل كثافة لعدة ساعات كما يسمح بعض الفراغات في البلاستيك إلى بالسوائل.
  2. جزيئات الصبغة مع رودامين-B مختلطة مع الماء بحيث يتألق تحت الضوء المنبعث من الليزر الأخضر.
    1. إعداد محلول 1 لتر من صبغة رودامين-B في الماء بتركيز 0.5 جم / لتر (المشار بعد ذلك باسم "صبغ").
      تنبيه: السامة.
    2. حرارة الصبغة إلى درجة حرارة تتراوح بين 50 و 80 درجة مئوية، وهذا يتوقف على مواد الجسيمات. استخدام درجات الحرارة المرتفعة للمواد البلاستيكية أصعب. وذلك باستخدام عالية جدا لدرجة الحرارة يؤدي إلى الانحناء الأسلحة.
    3. وضع ~ 2500 الجزيئات، وهو ما يكفي لملء فضفاضة ~ 25 مل طن حلول التخزين المطابقة الكثافة، في صبغ والحفاظ على جميع على 80 درجة مئوية لمدة 2-3 ساعات للسماح للصبغة لامتصاص في البوليمر. إزالة جزيئات مرة واحدة هم وردي، مثل واحد في الشكل 1F.
      حذرا: إن الحرارة تخفف من الجسيمات مؤقتا.
    4. تصفية الجسيمات وشطف لهم قبل التخزين في الحلول المعينة فصل في 2.1.4. فإن الجزيئات تفقد جزء صغير من الصبغة، مما يجعل الحل الوردي، ولكن الشطف تحت صنبور يساعد على منع فقدان كمية ضارة من الصبغة.
      ملاحظة: سوف تغيرت متوسط ​​كثافة الجسيمات بسبب الصباغة، لذلك اختبار مرة أخرى كما هو الحال في 2.1.1-2.1.2 للعثور على كثافة جديدة الحل الذي الجزيئات، في المتوسط، مزدهرة بشكل محايد.
  3. تغيير بالجملة CaCl 2 الحل (من 2.1.3) الكثافة حسب الحاجة. كرر 2.1.4 وإزالة كميات جديدة من حل يقابل كثافة. التخلص من حلول التخزين السابقة، والتي سيكون لها الآن كميات صغيرة من الرودامين-B دأنتم فيها، وفقا للوائح الصحة والسلامة البيئية.
  4. كرر 2.3.2-2.3.4 لمجموعات متتالية من ~ 2500 الجسيمات، وتخزين جميع الجزيئات من نفس الشكل في نفس الحلول المطابقة الكثافة التي تم إنشاؤها في 2.4، وفصلها عن جسيمات من مختلف الأشكال.
    ملاحظة: بعد حوالي 5 تكرار 2.3.2-2.3.4، فإن الحل الرودامين-B لم يعد من الممكن تركيز عال بما يكفي لصبغ فعال الجسيمات.
  5. التخلص من الحل التي تم إنشاؤها في 2.3.1 وفقا للوائح الصحة والسلامة البيئية، ثم كرر 2.3.1 وإيجاد حل جديد 0.5 جم / لتر التي لصبغ الجزيئات.
  6. كرر 2.6 كل 5 تكرار 2.3.2-2.3.4.

3. التجريبية وإعداد البصري

الشكل 2
الشكل 2. الإعداد التجريبية. وفي تدفق مثمنة بين شبكات تتأرجح، وحجم المشاهدة المركزي في تركيزيضيء أربع كاميرات الفيديو والثانية الأخضر: YAG الليزر أ) منظر جانبي يوضح كيف يتم ترتيب الكاميرات الأربع وتوصيل أجهزة الكمبيوتر. الرقم من 13. ب) أعلى عرض تظهر ليزر، مرآة، وتكوين العدسة لتحقيق الإضاءة موحدة في حجم المركزي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. إعداد الكاميرات.
    1. استخدام الكاميرات قادرة على الأقل 1 ميجابيكسل القرار في 450 لقطة في الثانية.
    2. ترتيب الكاميرات ان كل هذه الكاميرا مشيرا في الوقت ذاته، وركزت على، وسط حجم المشاهدة. كاميرات أقل يمكن استخدامها، ولكن التظليل ذراع من الجسيمات عن طريق ذراع آخر يحد من دقة قياس التوجه، وجود عدد أقل من الكاميرات يجعل التجارب أكثر عرضة لهذا الغرض. استخدام أكثر من أربع كاميرات يمكن أن تزيد أيضا التوجه measuremالدقة الأنف والحنجرة لأنه سوف يقلل من فرصة من الأسلحة التي تعقبت على جميع الكاميرات، وهو المصدر الرئيسي لعدم اليقين.
    3. وضع الكاميرات مع كبير (~ 90 درجة) الزوايا بين كل زوج تخضع لقيود من الجهاز. وضع الكاميرات كما هو مبين في الشكل 2 لتحقيق التوازن بين الوصول التجريبية وقياس الزاوية بين الكاميرات الفردية. تقليل التشوهات البصرية من خلال بناء الموانئ عرض في الجهاز عمودي على كل اتجاه الكاميرا المشاهدة.
    4. استخدام 200 ملم عدسات الماكرو في كل كاميرا للحصول على حجم القياس المطلوب من مسافة العمل من نصف متر. حجم ينظر إليها من قبل جميع الكاميرات أربعة يحدد حجم الكشف، وهي عبارة عن 3 × 3 × 3 سم 3.
    5. معايرة كاميرات للسماح للتحول من مواقع بكسل محسوبة على الإحداثيات في الفضاء 3D.
      1. تعيين فتحات لو / 11 وجبل 532 مرشحات نانومتر من الدرجة الأولى لإزالة ضوء الليزر بينما يسمح من خلال-طول الموجة الأطولح مضان على الكاميرات
      2. وضع قناع الصورة المعايرة في الخزان، وملء خزان مع حل الجزء الأكبر من 2.4، وإلقاء الضوء على قناع.
      3. ضبط كاميرات بحيث يكون لكل القناع في الرأي وأنهم جميعا تركيزا على نفس النقطة على القناع. بعناية محاذاة الكاميرات لتحسين شكل حجم الكشف.
      4. كن حذرا لتغيير أقل قدر ممكن من المعلومات عن الإعداد البصرية من هذه النقطة إلى الأمام.
      5. حيازة وتخزين الصور من قناع من كل كاميرا.
      6. استنزاف الحل للخروج من الخزان وضخه الى حيث سبق أن تم تخزينها.
      7. استخراج المعلمات تحديد الموقف، وعرض الاتجاه، التكبير، والتشوهات البصرية من كل كاميرا من الصور المعايرة. القيام بذلك عن طريق تحديد الأماكن على قناع المعايرة واضحة على جميع الكاميرات الأربعة وتحديد المسافة بين هذه النقاط. مع هذه المعلومات، واستخدام أساليب المعايرة القياسية لانتزاع السلطة الفلسطينية ذات الصلةrameters.
        ملاحظة: يتم وصف أسلوب المعايرة الأساسي في تساي، 1987 7 ويرد وصف تنفيذ المستخدمة في هذه التجارب في Oullette آخرون 3 الباحثون الذين يرغبون في تطوير كاميرا برنامج المعايرة قد تحتاج أيضا إلى النظر في OpenPTV 4..
      8. إنشاء ملف معايرة النهائي باستخدام عملية معايرة دينامية. ويتم ذلك بعد أن تم الحصول على بيانات التتبع الجسيمات. استخدام غير الخطية المربعات بحث لتحسين المعلمات معايرة الكاميرا والحصول على أصغر عدم تطابق بين المواقف الجسيمات ينظر اليه على كاميرات متعددة. يتم وصف هذه الأساليب في المرجع 8 و 9.
  2. مع بدون تاريخ الخضراء تحولت س: YAG الليزر قادرة على 50 متوسط ​​القوة W (ويشار إليها في "ليزر")، إلقاء الضوء على اسطوانة في وسط الخزان مع ما يقرب من 3 سم القطر مستعرضة، حيث تدفق غير متجانسة. 8
    ملاحظة: قوة الليزر ليرة سوريةecified على تردد نبض من 5 كيلو هرتز. تردد الذبذبات في هذه التجارب هو 900 هرتز، حيث انتاج الطاقة هو أقل من ذلك بكثير.
    1. تقسيم ضوء من الليزر باستخدام الحزمة الخائن واستخدام المرايا لتوجيه شعاع واحد في الجزء الأمامي من الخزان وغيرها، متعامد الأولى، إلى جانب الخزان.
    2. وضع اثنين من المرايا إضافية خارج الخزان، مقابل حيث الحزم تدخل، لكي تعكس الضوء مرة أخرى إلى الخزان وخلق الإضاءة أكثر اتساقا، والحد بشكل كبير آثار التظليل.
      ملاحظة: مقياس طول آثار تدخل من الحزم، نشر المقابل هو أصغر من أن تؤثر تأثيرا كبيرا على هذه التجارب.

4. إجراء التجارب

  1. تستعد لتسجيل فيديو من كل كاميرا.
    1. برمجة نظام ضغط الصور التي تزيل البيانات صورة غير المرغوب فيها في الوقت الحقيقي. 10، 1 3
      1. إذا كانت الكاميرا لنبعد التمديد لديهم الجسيمات في الرأي، لا حفظ الصورة.
      2. حيث توجد بكسل مشرق، فقط حفظ الموقع وسطوع بكسل مشرق بدلا من الصورة كاملة.
        ملاحظة: نظرا لأن كل الجسيمات يغطي عادة حوالي 5000 بكسل مشرقة ونادرا ما يكون هناك الجسيمات أكثر من واحد من عرض في وقت واحد، ونظام ضغط الصور يقلل بشكل كبير من كمية التخزين المطلوبة لتسجيل مع كاميرات عالية السرعة لعدة ساعات.
    2. إعداد البرنامج المستحوذة البيانات.
  2. إعداد تدفق المضطرب في خزان مثمنة 1 × 1 × 1 م 3 باستخدام اثنين من موازية 8 سم شبكات سلكية تتأرجح في مرحلة 8
    1. ضخ حل CaCl 2 من 2.4 في فراغ الغرفة وابقائه في غرفة بين عشية وضحاها لديغا الحل، مما يقلل فقاعات الهواء في التجارب.
    2. حل مضخة من فراغ الغرفة من خلال مرشح 0.2 ميكرومتر في خزان مثمنة حيث فيل التجاربإجراء لتر.
  3. تشغيل التجربة.
  4. اختيار نوع واحد من الجسيمات (جزيئات التتبع، والرافعات، الصلبان، tetrads، أو الثلاثيات) لاستخدامها في الجولة الأولى من التجارب وإضافة كافة 10،000 من هذه الجزيئات في الماء من خلال منفذ في الجزء العلوي من الجهاز. إغلاق هذا المنفذ بعد إضافة الجسيمات.
    1. تحويل الليزر على.
    2. كاميرات تعيين والليزر للرد على الزناد الخارجي وتعيين تردد على الزناد إلى 450 هرتز لكاميرات و 900 هرتز ليزر. استخدام الزناد الخارجي للتأكد من جميع الكاميرات تبدأ الاستحواذ في وقت واحد وتبقى متزامنة في جميع أنحاء تسجيل
    3. فتح فتحة الليزر.
    4. ضبط شبكة لتردد المختار (1 أو 3 هرتز) والبدء في تشغيله. قبل البدء في جمع البيانات، تشغيل شبكة لحوالي 1 دقيقة للسماح الاضطراب لتطوير تماما.
    5. سجل 10 6 إطارات من اجل الحفاظ على حجم ملف إدارة وللحفاظ على أي أخطاء قد تحدث في الصورةأنظمة ضغط من المساس الكثير من البيانات.
    6. إغلاق الفتحة الليزر ووقف على الزناد الكاميرا. إعادة تعيين أنظمة ضغط الصور والكاميرات.
      1. تأكد من عدم تلف ملفات الفيديو عن طريق عرض أجزاء من كل ملف.
    7. كرر 4.4.1 - 4.4.6 حتى تم تسجيل 10 7 صور في تردد الشبكة الذي تم اختياره لالجسيم الذي تم اختياره.
  5. تغيير تردد الشبكة إلى واحد يتم اختياره في 4.4.4 وتكرار 4.4.4 - 4.4.7
  6. تفريغ خزان وتصفية المياه لإزالة جميع الجزيئات. حفظ الجسيمات في تخزين المياه من 2.4 إذا رغبت في ذلك.
  7. كرر 4،4-4،6 لجميع أنواع الجسيمات.
  8. بعد أن تم الانتهاء من جميع التجارب، معايرة الكاميرات مرة أخرى، كما هو الحال في 3.1.5-3.1.5.7.

تحليل 5. البيانات

ملاحظة: يعرض هذا القسم من بروتوكول لمحة عامة عن عملية استخدامها للحصول على التوجهات الجسيمات ومعدلات دوران. ع محددكل من برنامج المستخدمة، جنبا إلى جنب مع صور اختبار ومعايرة الملفات، يتم تضمينها كملحق لهذا المنشور، ومفتوحة للاستخدام من قبل أي من القراء المهتمين. (راجع ملف "Use_Instructions.txt" في ملف التكميلي "MATLAB_files.zip".)

  1. باستخدام المعلمات معايرة الكاميرا، يجب الحصول على موقف 3D والتوجيه من الصور من الجسيمات على كاميرات متعددة.
    1. في كل إطار، والعثور على مركز للجسيم على كل من الصور الأربعة. جميع الجزيئات في هذه التجارب هي متماثلة بما فيه الكفاية أن مركز الكائن في مركز الهندسي للبكسل مشرقة على الصورة عندما ينظر اليها من أي منظور.
    2. العثور على موقف 3D من الجسيمات التي stereomatching مواقف 2D في وقت واحد على جميع الكاميرات أربعة 3 و 8.
    3. إنشاء نموذج عددي من الجسيمات التي يمكن إسقاطها على كل كاميرا لنموذج كثافة في صورة من تلك الكاميرا.
      1. نموذج السلطة الفلسطينيةrticle كما مركب من قضبان. استخدام الكاميرا معايير والمعايرة من 3.1.5.7 و3.1.5.8، المشروع نقاط النهاية اثنين من كل قضيب على الكاميرات وثم نموذج توزيع شدة الضوء في بعدين، مع وظيفة جاوس عبر عرض للقضيب وفيرمي وظيفة -Dirac عبر طول وفقا لبروتوكول البرمجيات.
      2. نموذج شدة الضوء في بعدين في هذه الطريقة لتقليل تكلفة الحسابية لتحليل البيانات. إسقاط نموذج ثلاثي الأبعاد كامل من الجسيمات الفلورية يمكن أن تحسن على هذا النهج، ولكن سيكون أكثر حسابيا الكثير مكثفة.
      3. انقر فوق تشغيل لبدء تحليل.
    4. اختر تخمين الأولي من التوجه الجسيمات.
      1. إذا تحليل الإطار الأول الذي هذا الجسيم هو واضح، يمكن تخمين الأول هو مجموعة عشوائية من زوايا أويلر.
      2. إذا كان هذا الجسيم في إطار واحد على الأقل السابق، استخدم التوجه العثور على استخدام الإطار السابق كماتخمين الأولي.
    5. إجراء غير الخطية المربعات الصغرى يصلح لتحديد اتجاه الجسيمات.
      1. ضبط موضع ثلاث 3D تنسق ويولر ثلاث زوايا هذا أن الفرق التربيعية بين كثافة قياس وإسقاط 2D للنموذج إلى أدنى حد ممكن على جميع الكاميرات الأربعة وفقا لبروتوكول البرمجيات.
        ملاحظة: هناك اتفاقيات متعددة لتحديد زوايا أويلر. تحديد الزوايا، (φ، θ، ψ)، على النحو التالي: φ هو دوران الأولي حول المحور z، وخلق محاور جديدة س 'و y؛ θ هو دوران حول س '، وخلق محاور جديدة ض' و y ''؛ ψ هو دوران حول المحور الجديد ض '. 11
    6. اختيار الاتجاه الذي يتطلب أصغر التناوب فيما يتعلق الإطار السابق. لجاك، وجدت الزوايا يولر تعطي واحدة من 24 التوجهات متماثل. Fأو الرباعيات هو واحد من 12 التوجهات متماثل. لالصليب، وهي واحدة من 8 التوجهات متماثل. وللثالوث أنها هي واحدة من 6 التوجهات متماثل.
      ملاحظة: هذه الطريقة في 5.1.6 يفترض أن الجسيمات لن تدوير أكثر من نصف واحد من الزوايا الداخلية بين الإطارات. يتم إعطاء مبرر لهذا الافتراض في مناقشة.
  2. انقاذ الموقف ويولر زوايا بوصفها وظيفة من الزمن.
  3. استخدام هذه البيانات لاستخراج معدل دوران جسم صلب وكميات أخرى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 3A صورة من الرباعيات من أحد دينا كاميرات فوق قطعة من يولر زوايا تم الحصول عليها من قسم من مساره (الشكل 3C). في الشكل 3B، نتائج خوارزمية لتقصي التوجه، وصفت في بروتوكول 5-5،3، وفرضه على الصورة الرباعيات. أحضان الرباعيات في الشكل 3A لا تتبع توزع الكثافة البسيطة التي يتم استخدامها لإنشاء نموذج (بروتوكول 5.1.3.1). وهذا ينطبق على كل من الجسيمات. كثافة لوحظ لديها علاوة على ذلك الاعتماد غير تافهة على الزوايا بين الأسلحة، والإضاءة، واتجاه عرض 12. نماذج لا تتضمن أي من هذه العوامل ولكن مع ذلك إنتاج قياسات دقيقة جدا من توجهات الجسيمات.

مرة واحدة تم العثور على هذا التوجه مع المربعات الصغرى يصلح، بتنسيق 3D ليتم حفظ مركز الجسيمات والزوايا يولر ثلاثة، (φ، θ، ψ)، التي تحدد توجهها مصفوفة 1 1. ويتم ذلك عن كل الإطار حيث الجسيم في ضوء جميع الكاميرات الأربعة. وتمكن هذه البيانات إعادة بناء مسار كامل من الجسيمات عبر حجم المشاهدة، كما هو مبين في الشكل (4) لكرة عرضية وجاك الشكل 4 تم إجراؤها باستخدام حزمة التصور مفتوحة المصدر Paraview وتعتمد على القياسات التي أجريت مع الصور من التجارب.

الشكل (3)
الشكل 3. أ) صورة عينة بناؤها التوجهات الجسيمات من الصور قياسها. من واحدة من الكاميرات الأربعة. الكائن يظهر هو الرباعيات، التي لديها أربعة أذرع في 109.5 درجة الزوايا الداخلية لبعضها البعض. ب) نفس الرباعيات التي تظهر مع نتائج طظص التوجه لتقصي الخوارزمية. ج) قياس يولر زوايا تآمر بوصفها وظيفة من الوقت لمسار واحد. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. تم إعادة بناء مسارات عرضية (أ) وجاك (ب) في الاضطرابات ثلاثي الأبعاد. (أ) ورقتين لون مختلفة تتبع مسار ذراعي من الجسيمات عبر الفضاء مع مرور الوقت. طول المسار هو 336 لقطة، أو 5.7 η τ، ويظهر تقاطع كل 15 لقطة. (ب) والأزرق والبرتقالي، ومسارات الأخضر والأزرق تتبع مسارات الأسلحة ثلاثة من جاك مع دوران الجسيمات وينتقل عن طريق السوائل. الخط الأخضر الغامق يدل على الطريق من مركز جاك. طول مسار الجسيمات 1025 الإطارات، أو 17.5 η τ، ويظهر جاك كل 50 لقطة. (ملاحظة: لا الصلبان ولا الرافعات يتم رسمها فوق لتوسيع نطاق.) الشكل من 1، حيث هو الشكل 3. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وتحسب مدة كميات مختلفة ولكنها ذات صلة على أساس التوجهات الجسيمات على مسار كامل: معدل ومعدل دوران جسم صلب تراجع. معدل الهبوط، المعادلة 1 ، هو معدل التغير في متجه الوحدة تحديد اتجاه الجسيمات. في القياسات السابقة من قضبان، المعادلة 1 كان يعرف بأنه محور التناظر على طول قضيب. لالصلبان والثلاثيات،تحميل / 53599 / 53599p.jpg "/> من الطبيعي أن الطائرة من الأسلحة؛ لالرافعات وtetrads، المعادلة 1 على طول واحدة من الأسلحة. بسبب تناوب على طول محور قضبان لا يمكن قياسها مباشرة، ودراسات تناوب القضبان في الاضطراب وإلى حد كبير تقتصر على قياس معدل هبوط. هذه ليست المشكلة لأي من الجزيئات في هذه التجارب. كل تناوب هذه الجزيئات يمكن قياسها و، مع القياسات التوجه ممهدة على طول مسار الجسيمات، خالية من جسم صلب ناقلات معدل دوران كاملة، المعادلة 1 ، يمكن ايجاده.

لاستخراج معدل دوران جسم صلب من التوجهات الجسيمات قياس، وتمهيد يتعين القيام به على مدى عدة خطوات الوقت. المشكلة هي العثور على مصفوفة التدوير المعادلة 1 أن يتصل أحد التوجه الأولي الرقم 5 للتوجهات قياس الرقم 5 في سلسلة من الخطوات مرة:

المعادلة 1

أين الرقم 5 هي الفترة بين الصور و الرقم 5 هي المرة الإطار الأولي. في ماركوس وآخرون. 1، استخدمنا غير الخطية المربعات الصغرى يصلح لتحديد يولر ستة زوايا تحديد مصفوفة التوجه الأولية، الرقم 5 ، ومصفوفة التناوب على خطوة زمنية واحدة، .jpg و"/>، أن أفضل تتناسب مع المصفوفات التوجه قياس بوصفها وظيفة من الزمن. وقد أظهرت المزيد من العمل مؤخرا أن هذه الخوارزمية في بعض الأحيان صعوبة عند معدل دوران صغير لأن البحث غير الخطية هو استكشاف المنطقة حيث الزوايا يولر ما يقرب من يساوي الصفر وهي المنحطة. وفي الحالة التي يكون فيها دوران في خطوة وقت صغير بما فيه الكفاية، المعادلة 1 يمكن استخدام خطي المعادلة 2 حيث Ω هو مصفوفة معدل دوران. كما هو موضح في مناقشة أدناه، هذه التجارب في هذا الحد دوران منخفضة، لذلك Ω يمكن العثور عليها من قياس الرقم 5 باستخدام خطي المربعات الصغرى تناسب.

من مصفوفة الدوران قياس مدى خطوة الوقت،_upload / 53599 / 53599R.jpg "/>، يمكننا استخراج معدل دوران جسم صلب ومعدل هبوط. وبحلول نظرية أويلر 11 المعادلة 1 يمكن أن تتحلل كما تناوب من قبل زاوية Φ حول محور دوران جسم صلب، الرقم 5 . حجم معدل دوران جسم صلب غير المعادلة 3 . معدل تراجع هو عنصر من معدل دوران جسم صلب عمودي على اتجاه الجسيمات، وبحيث يمكن احتسابها المعادلة 4 . ويقارن الشكل 5 ملفات PDF من معدل مربع متوسط ​​قياس تراجع عن الصلبان والرافعات لتوجيه عمليات المحاكاة العددية من المجالات. الرافعات الصغيرة تدور فقط مثل المجالات في تدفقات السوائل 1، وبالتالي فإن حقيقة أن قوات الدفاع الشعبي لالرافعات يوافق على محاكاة PDF على مناطق يدل على أن التجارب هي قادرة على التقاط نادرة الأحداث دوران عالية التي تحدث في التدفقات المضطربة.

الرقم 5
الرقم 5. PDF من معدل هبوط بمتوسط ​​مربع. ودالة الكثافة الاحتمالية من معدل متوسط ​​مربع قياس تراجع عن الصلبان لدينا (المربعات الحمراء)، والرافعات (الدوائر الزرقاء)، وكذلك المحاكاة العددية المباشرة من المجالات (خط الصلبة). وتشمل أشرطة الخطأ الخطأ العشوائي نظرا لأخذ العينات الإحصائية محدودة تقدر بقسمة مجموعة البيانات إلى مجموعات فرعية، فضلا عن الخطأ المنهجي الذي ينجم عن الاعتماد طول مناسبا من معدل الهبوط، الذي يقدر عن طريق إجراء التحاليل في مجموعة من يصلح أطوال. الرقم من 1 حيث هو الشكل 5. الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ولطالما تم الاعتراف قياسات الدوامي ودوران الجسيمات في تدفق السوائل مضطربة، هدفين مهمين في ميكانيكا السوائل التجريبية. في دوران جسم صلب من المجالات الصغيرة في الاضطرابات يساوي نصف الدوامي السوائل، ولكن التماثل الدوراني من المجالات جعلت القياس المباشر على دوران جسم صلب الصعب. تقليديا، وقد تم قياس الدوامي السوائل باستخدام معقدة، متعددة الاستشعار، الساخنة الأسلاك يسبر 14. ولكن هذه المجسات فقط الحصول على قياسات الدوامي نقطة واحدة في airflows التي لديها كبيرة يعني سرعة. وقد تم تطوير طرق القياس الدوامي أخرى. على سبيل المثال، تستخدم سو ودهم السرعة بواسطة حقل التدفق على أساس الصور العددية 15 ووثي، Tsinober، وKinzelbach تستخدم 3D الجسيمات تتبع السرعة بواسطة 16. كانت مهداة قياسات الدوامي في الاضطرابات التي تتبع تناوب جزيئات واحدة من فريش وويب، الذي يقاس تناوب كروية صلبةالجسيمات باستخدام الدوامي مسبار بصري 17. يستخدم هذا التحقيق جزيئات صغيرة مع بلورات مستو جزءا لا يتجزأ من أن تكون بمثابة المرايا لإنشاء شعاع التي التغييرات كما تدور الجسيمات الاتجاه. مؤخرا، تم تطوير أساليب لقياس الحركة الدورانية من جسيمات كروية كبيرة باستخدام التصوير أنماط رسمت على جزيئات 18،19 أو جزيئات الفلورسنت المدمجة في جزيئات هيدروجيل شفافة 20. لتعقب جزيئات متباين الخواص، بلاني وآخرون. استخدمت جزيئات هيدروجيل مصبوب مخصص 21. بارسا وآخرون. وقد تعقب تناوب شرائح خيوط النايلون 5، 6، 1 2. أساليب لقياس الدوامي والجسيمات تناوب الواردة في هذه الورقة لها مزايا أكثر من هذه الطرق البديلة. 3D المطبوعة الجسيمات متباين الخواص يمكن أن تكون صغيرة، مع سمك ذراع وصولا الى 0.3 ملم في القطر، ويمكن أن لا تزال تناوب على أن تحل accur جدا¢ الأمر. تتطلب أساليب أخرى تقليديا الجزيئات الكبيرة لأنها تنطوي على قرار من الهياكل أو داخل جزيئات أنفسهم. وبالإضافة إلى ذلك، استخدام نظم ضغط الصور يسمح لكثير من مسارات المزيد من الجسيمات التي سيتم تسجيلها وقياسها من شأنه أن يكون الأمر خلاف ذلك معقول. وجود المزيد من القياسات يجعل من الممكن لدراسة الأحداث النادرة مثل تلك مع معدلات دوران عالية جدا في الشكل (5)، والتي تكشف عن ظواهر التقطع ذات أهمية كبيرة للباحثين.

وكانت تركيزات الجسيمات في هذه التجارب حوالي 5 × 10 -3 سم -3، وهو ما يعني أن عادة فقط حوالي 20٪ من الصور من الكاميرات كانت الجسيمات. لدراسة الأحداث النادرة، والآلاف من مسارات الجسيمات المطلوبة عادة، مما يعني أن هناك حاجة إلى مئات الآلاف من الصور من الجسيمات. مع هذه التركيزات المنخفضة، وبالتالي فإن هناك حاجة الملايين من الصور ليتم تسجيلها للحصول على حجم كاف من البيانات. إذا إعادةلم تستخدم أنظمة ضغط الصورة آل الوقت لتسهيل الحصول على البيانات، وهذا يتطلب مئات تيرابايت من تخزين البيانات والتحليل سوف تكون أكثر من ذلك بكثير حسابيا مكثفة. نظم ضغط الصور انخفاض هذا الحمل عن طريق عوامل عدة مئات من 10. ومع ذلك، فإن تسجيل الفيديو القياسية تكون كافية لكثافة الجسيمات أعلى وإذا مساحة تخزين البيانات ليست قضية. إذا كان أمر 100،000 جزيئات من كل نوع بدلا من 10،000، من شأنه، من حيث المبدأ، تكون هناك حاجة إلى عدد أقل من الصور لالتقاط نفس الإحصاءات. ومع ذلك، في كثافة الجسيمات العالية تبدأ الجزيئات إلى الظل بعضها البعض في كثير من الأحيان. وهذا هو، سيكون هناك المزيد من الأوقات عندما تكون هناك جسيمات بين الليزر والجسيمات في الرأي، أو بين الجسيمات في عرض وكاميرا. هذه الأحداث تلقي بظلالها تجعل التوجهات قياس في جميع أنحاء مسار عبر حجم المشاهدة أكثر صعوبة وأقل موثوقية. لهذه الأسباب، وقد تم اختيار أقل تركيزات الجسيمات لهذه التجاربوكانت ولاللازمة نظم ضغط الصور.

قد تكون هناك أوقات عندما الذراع التظليل سوف يؤثر على النتائج من خوارزمية البحث غير الخطية. لتوجهات معينة من جاك، الذراع التظليل أسباب أن يكون هناك الدنيا متعددة في الفضاء زاوية يولر، والتي تؤدي إلى indeterminacies في توجهات قياسها. وهذا يقلل من دقة القياسات التوجه لهذه التوجهات معينة، وأحيانا يؤدي إلى قياسات عالية خطأ من معدل دوران جسم صلب، الذي يدفع كثافة الاحتمال إضافية نحو الذيل من قوات الدفاع الشعبي في الشكل (5) للحصول على الرافعات، الذي الأسلحة هي متعامدة مع بعضها البعض، يمكن انخفضت هذه المشكلة عن طريق تغيير زوايا الكاميرات فيما يتعلق بعضها البعض لتكون أبعد من 90 درجة. إذا كان تكوين جهاز يجعل هذا التغيير من الصعب تنفيذها، بديل واحد هو تغيير الشكل الهندسي للجزيئات لتقليل التظليل. كان هذا هو السبب تيتوقد تم اختيار راد للتجارب بعد أن تم الانتهاء من ذوي الرافعات، وأظهرت قياسات الرباعيات الأخيرة تحسن كبير في دقة التوجيه بالمقارنة مع الرافعات.

ولا تقتصر طرق تتبع الجسيمات 3D المقدمة هنا إلى هذا التدفق معين أو أحجام الجسيمات والأشكال التي نستخدمها. وقد بدأنا بالفعل تجارب تتبع tetrads والثلاثيات مع أحجام أكبر من ذلك بكثير باستخدام تقنيات مماثلة. استخدام كاميرات عالية السرعة لقياس توجهات الجسيمات ويمكن تمديد تناوب على مجموعة واسعة من الأشكال، ويمكن استخدامها للجسيمات بالقصور الذاتي، وكذلك في حالة ازدهار محايد المقدمة هنا. استخدام المزيد من الكاميرات من شأنه أن يسمح لمجموعة أوسع من الأشكال الجسيمات المحتملة، والقيود الأولية لهذه الطريقة هي قرار من الكاميرات والجسيمات تلقي بظلالها على الذات، كما نوقش في الفقرة السابقة.

في خطوة 5.1.6 من البروتوكول، نحن سلس يولر زوايا measuremeاليلة بافتراض أن الجسيمات لن تدوير أكثر من نصف زاوية بين الأسلحة على مدى إطارين - وهذا هو، ونحن نفترض أن قياس التوجه دقيق في إطار ط + 1 يحتفظ التوجه متماثل اختيار وجد لإطار ط. إذا كانت الجسيمات قد استدارة أكثر من نصف واحد من هذه الزوايا الداخلية، ثم تمهيد في هذا الطريق من شأنه أن يؤدي إلى تحول مفاجئ وغير صحيح من اتجاه دوران. . في المرجع 5 وتبين لنا أن حدا أعلى على معدل هبوط الجسيمات:

المعادلة 5

وبالتالي فإن أكبر نسبة تراجع ( المعادلة 6 ) هو المعادلة 7 والتي ل المعادلة 8 ثانية هو 16.2 ثانية -2. هذا يعني الجذر التربيعي (RMS) معدل تراجع من 4.0ثانية -1. وبما أننا تسجيل الصور في 450 لقطة في الثانية، والجسيمات عندئذ عادة تدوير 0.009 راديان بين الإطارات. وكانت أصغر الزاوية الداخلية من أي من الجزيئات في هذه التجارب الرقم 5 ، لذلك سوف تفشل هذه الطريقة تمهيد إذا جزيئات تعثر أكثر من الرقم 5 راديان بين الإطارات. وهكذا، يمكننا أن تتبع بدقة الجسيمات مع معدلات تراجع أكثر من 80 أضعاف RMS، وهو أسرع بكثير من المعادلة 6 مرات RMS التي نلاحظها في الواقع في الشكل (5).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة في الكشف عنها.

Acknowledgments

نشكر Susantha Wijesinghe الذي صمم وشيد نظام ضغط الصور التي نستخدمها. ونحن نعترف بدعم من منحة جبهة الخلاص الوطني DMR-1208990.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Condor Nd:YAG 50 W laser Quantronics 532-30-M
High speed camera Basler A504k
High speed camera Mikrotron EoSens Mc1362
Rhodamine-B ScienceLab.com SLR1465
Sodium Hydroxide Macron 7708 Pellets.
500 Connex 3D printer Objet Used to make smaller particles. Particles ordered from RP+M (rapid prototyping plus manufacturing).
VeroClear Stratasys RGD810 Objet build material.
Clear Form 1 Photopolymer Resin Formlabs
Cylindrical and spherical lenses
200 mm macro camera lenses F-mount.
Ultrasonic bath Sonicator
Calcium Chloride Spectrum Chemical Mfg. Corp. CAS 10043-52-2 Pellets.
LabVIEW System Design Software National Instruments Used to trigger cameras, control grid, and trigger laser.
XCAP Software EPIX Used with LabVIEW to trigger cameras.
MATLAB Mathworks Used for all image and data analysis. Programs for extracting 3D orientations from multiple images are included with this publication.
OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetry OpenPTV Consortium
ParaView Kitware
AutoCAD AutoDesk Used to design all particles. Screenshots of particle designs are all of AutoCAD.
Mesh with 0.040 x 0.053 inch holes Industrial Netting XN5170–43.5
Camera filters Schneider Optics B+W 040M

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence. New J. Phys. 16, 102001 (2014).
  2. Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).
  3. Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).
  4. Open Source Particle Tracking Velocimetry. , Open PTV Consortium. Available from: www.openptv.net (2014).
  5. Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid. Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501 (2012).
  6. Parsa, S., Voth, G. Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence. Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501 (2014).
  7. Tsai, R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).
  8. Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence. Phys. Fluids. 22 (1), 015107 (2010).
  9. Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. Experimental study of relative, turbulent diffusion. RISO Internal Report. , R-1036 (1999).
  10. Chan, K., Stich, D., Voth, G. Real-time image compression for high-speed particle tracking. Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704 (2007).
  11. Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. Classical Mechanics, 3rd Edition. , Addison-Wesley Publishing Company. 134-180 (2002).
  12. Parsa, S. Rotational dynamics of rod particles in fluid flows. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2013).
  13. Wijesinghe, S. Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2012).
  14. Wallace, J., Foss, J. The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows. Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).
  15. Su, L., Dahm, W. Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors. Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).
  16. Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow. J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).
  17. Frish, M., Webb, W. Direct measurement of vorticity by optical probe. J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).
  18. Zimmerman, R., et al. Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906 (2011).
  19. Zimmerman, R., et al. Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow. Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501 (2011).
  20. Klein, S., Gibert, M. athieu, Bérut, A., Bodenschatz, E. Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow. Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).
  21. Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles. J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).

Tags

الهندسة، العدد 112، والجسيمات في الاضطراب، والجسيمات متباين الخواص، والاضطراب، الطباعة 3D، والتناوب، وديناميات الموائع
أساليب لقياس التوجيه ودوران معدل الجسيمات في الاضطرابات 3D-طباعة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Cole, B. C., Marcus, G. G., Parsa,… More

Cole, B. C., Marcus, G. G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. A. Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence. J. Vis. Exp. (112), e53599, doi:10.3791/53599 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter