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Engineering

Medida simultánea de la cinemática de la partícula usando técnicas de imagen de flujo y turbulencia

doi: 10.3791/58036 Published: March 12, 2019

Summary

La técnica descrita en el presente documento ofrece un método relativamente simple y de bajo costo para medir simultáneamente la cinemática de la partícula y la turbulencia en flujos con concentraciones bajas de partículas. La turbulencia se mide utilizando partículas imagen velocimetry (PIV), y cinemática de la partícula se calcula a partir de imágenes obtenidas con una cámara de alta velocidad en un campo de vista superpuesto.

Abstract

Numerosos problemas en los campos científicos y de ingeniería implican entender la cinemática de partículas en flujos turbulentos, tales como contaminantes, microorganismos marinos y sedimentos en el océano, o en reactores de lecho fluidizado y los procesos de combustión en sistemas de ingeniería. Para estudiar el efecto de la turbulencia sobre la cinemática de las partículas en dichos flujos, se requieren mediciones simultáneas de la cinemática del flujo y la partícula. Existen técnicas de medición de flujo no intrusivo, óptico para medir la turbulencia, o para el seguimiento de las partículas, pero ambos al mismo tiempo de medición puede ser difícil debido a la interferencia entre las técnicas. El método aquí presentado proporciona un método relativamente simple y de bajo costo para hacer medidas simultáneas de la cinemática de la partícula y el flujo. Una sección transversal del flujo se mide utilizando una partícula imagen velocimetry (PIV) técnica, que proporciona dos componentes de velocidad en el plano de medición. Esta técnica utiliza un láser de pulsos para la iluminación del campo de flujo sembrado que es fotografiada por una cámara digital. La cinemática de la partícula son simultáneamente reflejada con una lámpara que emite luz de línea del diodo (LED) que ilumina una sección plana de la corriente que se superpone con la PIV campo de visión (FOV). La luz de la línea es de energía suficientemente baja que no afecta las medidas de PIV, pero lo suficientemente potente como para iluminar las partículas más grandes de interés reflejada usando la cámara de alta velocidad. Imágenes de alta velocidad que contienen los pulsos del láser de la técnica PIV se filtran fácilmente examinando el nivel de intensidad sumados de cada imagen de alta velocidad. Haciendo que la velocidad de fotogramas de la cámara alta velocidad inconmensurable con el de la velocidad de fotogramas de cámara PIV, puede reducirse el número de contaminados fotogramas de la serie de tiempo de alta velocidad. La técnica es conveniente para flujos significa que son predominantemente bidimensionales, contienen partículas que son al menos 5 veces el diámetro medio de la PIV siembra trazadores y baja concentración.

Introduction

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Existen un gran número de aplicaciones en campos científicos y de ingeniería que involucren el comportamiento de las partículas en el flujo turbulento, por ejemplo, aerosoles en la atmósfera, contaminantes o sedimentos en sistemas de ingeniería y Marina los microorganismos o sedimentos en el océano1,2,3. En este tipo de aplicaciones, es a menudo de interés para entender cómo las partículas responden a las turbulencias, que requiere la medición simultánea de la cinemática de la partícula y la dinámica de fluidos.

Tecnologías existentes para medir movimientos de la partícula, llamados rastreo de partículas (PT), que rastrea la trayectoria de la partícula individual y la técnica estadística de partículas imagen velocimetry4,5 (PIV), utilizan para medir el flujo velocidades, ambos incorporan técnicas ópticas no intrusiva. El principal desafío en el uso de estas técnicas ópticas no intrusiva para medir simultáneamente la cinemática del flujo y la partícula es la iluminación independiente para cada técnica de imagen que no puede interferir con la medición exactitud ( por ejemplo, la fuente de iluminación para la medición de la cinemática de la partícula no puede actuar como una fuente de ruido importante en la medición de la velocidad del fluido y viceversa). El contraste de la imagen en ambos conjuntos de imágenes debe ser suficiente para obtener resultados fiables. Por ejemplo, las imágenes de PT se convierten en imágenes en blanco y negro con el fin de realizar un análisis de blob para determinar las posiciones de la partícula; así, el contraste insuficiente conduce a errores en la posición de la partícula. Contraste pobre en cantidad de imágenes PIV a un cociente signal-to-noise bajo que provocarán inexactitudes en la estimación de las velocidades del fluido.

Aquí, se describe un método relativamente simple y de bajo costo para medir simultáneamente dos velocidades de cinemática y el flujo de partículas. Mediante el uso de una alta potencia de luz monocromática emite luz, de la línea de diodo (LED) donde la línea se refiere a la abertura de luz y doble cabeza láser de alta intensidad, tanto las partículas de interés y el campo de flujo se reflejada en la misma región al mismo tiempo. La alta potencia del LED es suficiente para la proyección de imagen de las partículas (orugas) de la cámara de alta velocidad pero no afecta a las imágenes PIV porque la intensidad de la luz dispersada de trazadores PIV es demasiado baja. Cuando el láser de alta intensidad de doble cabeza ilumina el campo de flujo de las imágenes PIV, se produce en un intervalo a corto plazo y estas imágenes son fácilmente identificadas y eliminadas de la serie de tiempo obtenida por la cámara de alta velocidad PT cuando se registran. PIV láser de pulsos registrados en el tiempo (utilizado para el rastreo de partículas) de alta velocidad imagen serie puede minimizarse por no ejecutar los dos sistemas a precios de adquisición de marco que son proporcionales entre sí. En las configuraciones más avanzadas, uno podría desencadenar externamente las cámaras PT y PIV con un retraso que asegure que esto no sucede. Finalmente, por una cuidadosa consideración de la cantidad de partículas que se rastrean en el campo de visión (FOV) de PIV, los errores introducidos por estas partículas seguidas en el análisis de correlación de imágenes PIV son ya tenidos en cuenta por la general estimación de error, incluyendo errores asociados con la distribución de tamaño no uniforme de trazadores PIV en la ventana de interrogación. La gran mayoría de la PIV marcadores de siembra siguiendo el flujo, produciendo estimaciones de velocidad de flujo exacta. Estas técnicas permiten la medida directa simultánea de ambos la partícula cinemática y el flujo de campo en un plano bidimensional.

Esta técnica se demuestra aplicando para determinar partículas colocar las características de un flujo turbulento, similar a la utilizada en los estudios por Yang y tímido6 y Jacobs et al. 7. partícula de adaptación es la etapa final en transporte de sedimentos, que generalmente consiste en suspensión de sedimento transporte y asentamiento. En la mayoría estudios anteriores que han abordado la partícula en el flujo turbulento, o trayectorias de la partícula o velocidades turbulentas no son directamente medidos pero deducido teóricamente modelado8,9,10. Detalles sobre las interacciones entre las partículas y las turbulencias han sido investigados más a menudo posible usando modelos teóricos y numéricos debido a las limitaciones experimentales en la medición de ambos al mismo tiempo6,11. Presentamos un estudio de caso de interacción partícula-turbulencia en una instalación de rejilla oscilante, donde se estudia la velocidad de sedimentación de las partículas y su acoplamiento con turbulencia. Para mayor claridad, en lo sucesivo nos referiremos a las partículas del objeto de investigación en "partículas" y la siembra utilizado en la técnica PIV como "trazadores"; Además, nos referiremos a la cámara que se utiliza para la proyección de imagen de alta velocidad de las trayectorias de partículas como "rastreo de partículas", "PT" o "alta velocidad", cámara que mide "imágenes de alta velocidad" y la cámara se utiliza para el método PIV la "cámara PIV", que medidas de "imágenes". El método aquí descrito permite la medida simultánea de la cinemática de partículas y dinámica de fluidos sobre un campo predefinido de interés dentro de las instalaciones. Los datos obtenidos proporcionan una descripción de dos dimensiones de la interacción de partículas turbulencia.

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Protocol

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Nota: Todo el personal debe ser entrenado en el uso seguro y funcionamiento de los láseres de clase IV, así como en el uso seguro y operación de herramientas manuales y eléctricas.

1. Montaje experimental

  1. Config de la PIV
    1. Establecer la doble cabeza láser y óptica.
      1. Coloque el láser en una placa óptica. Nivel láser con respecto a la parte inferior de la instalación (o con respecto a la tierra si se desea tener velocidades verticales alineados con la aceleración de la gravedad) y alinear verticalmente el haz de láser con el centro del plano 2D a ser reflejada.
      2. Coloque la lente cilíndrica en la trayectoria del rayo láser por asegurar a la placa óptica. La lente forma el haz en un plano 2D. El tamaño del plano 2D imágenes dependerá de la longitud focal de la lente y la distancia de la región para ser investigado. Ajustar la lente y la distancia hasta la región iluminada es suficientemente grande para la aplicación específica.
      3. Coloque una lente esférica en la placa óptica entre la lente cilíndrica y el plano de imagen 2D. La distancia entre las lentes esféricas y cilíndricas y la longitud focal de la lente esférica determinará el espesor del plano 2D iluminada (ficha técnica de iluminación). Ajustar esta distancia y la distancia focal de la lente hasta que la hoja de luz es aproximadamente 0.5-1 mm de espesor.
    2. Posición y realizar la calibración preliminar de la cámara PIV.
      1. Fije un objetivo a la cámara PIV, encendido la cámara PIV en modo libre/continuo y groseramente enfoque la cámara PIV. Ajustar el diafragma de la cámara PIV para permitir la suficiente luz ser recibidos por el sensor de imagen; Este ajuste del diafragma puede variar cuando se utiliza luz blanca de la sala frente a la iluminación basada en láser.
        1. Ajustar la lente y la distancia hasta el tamaño de la imagen es suficiente para observar la región de interés. Selección de la lente y la distancia entre la cámara de la PIV y la ficha técnica de iluminación determina el tamaño físico de la imagen de PIV. Idealmente, el tamaño de la imagen debe ser menor (o similar) el tamaño de la configuración de la ficha técnica de iluminación en 1.1.1.
      2. Asegurar la cámara PIV es perpendicular a la hoja de luz y grueso ajuste la altura tal que la región de interés (definida por los límites de la ficha técnica de iluminación, ver paso 1.1.1) se encuentra dentro campo de visión de la cámara PIV (FOV).
      3. Nivel de la cámara PIV con respecto a la parte inferior de la instalación de flujo (o con respecto a la tierra si se desea tener velocidades verticales alineados con la aceleración de la gravedad). Es de suma importancia que la cámara PIV estar exactamente perpendicular a la hoja de luz, esto debe revisarse cuidadosamente.
      4. Apague la cámara PIV y encender el láser. Coloque un objetivo de calibración y alinear con el centro de la ficha técnica de iluminación, luego apague el láser.
        Nota: El objetivo de la calibración es una placa bidimensional (normalmente hecha de metal para los propósitos de la rigidez), que contiene varios marcadores (por ejemplo, puntos o cruces) alineados en una formación de cuadrícula regularmente espaciados. La placa se pinta generalmente negro con marcadores blancos. La distancia conocida entre las marcas permite la estimación de un factor de conversión entre unidades físicas y píxeles.
      5. Vuelva a encender la cámara PIV y refinar el enfoque de la cámara PIV en el blanco de calibración. La resolución de píxeles de la cámara PIV va a determinar qué tan bien la región puede resolverse en el espacio; por lo tanto, debe ser considerado (ver pasos 2.1.1 y 2.1.4 para más detalles sobre estas consideraciones).
      6. Capturar una imagen. Confirme la cámara PIV nivel garantizar que la altura en una fila del blanco de calibración es coherente, así como que la posición horizontal a lo largo de una columna del blanco de calibración es consistente. Compruebe el tamaño de marcadores de calibración en cada esquina de la imagen (en píxeles) con el fin de evaluar la cantidad de distorsión de la imagen, que debe ser reducido al mínimo. La diferencia en el tamaño de marcadores de calibración en cada una de las cuatro esquinas ideal debe ser cero; pero no debe diferenciar por más de 1 píxel.
    3. Añadir marcadores PIV para el flujo.
      1. Seleccione marcadores apropiados que son flotabilidad neutra (densidad similar como el líquido), químicamente inerte, adecuado tamaño y forma (esférica y lo suficientemente pequeña como para seguir el flujo) y tienen un alto índice de refracción en relación con el fluido12,13 .
        Nota: En el estudio de caso presentado donde el fluido es agua, utilizamos esferas de cristal hueco con un diámetro medio de 10 micras y densidad de 1,1 g/cc.
      2. Introducir los trazadores PIV en el flujo y ejecute la instalación (oscilar la rejilla) hasta que estén bien mezclados. Gradualmente introducir los trazadores y evaluar la calidad de imagen y nivel de densidad de marcadores dentro de la misma.
        Nota: Una gran separación entre intensidad nivel tracer gris y la intensidad de fondo es óptima.
        1. Evaluar por encender el láser y la recolección de imágenes en modo libre/continuo. Concentración de los trazadores en la imagen debe ser densa pero no manchado4,14. Considerar el tamaño de la ventana de correlación deseada en la selección de nivel de concentración, como se sugiere que alrededor de 8-10 pares de partícula claro en la PIV imagen pares para el análisis de correlación cruzada4 (ver paso 2.1.1).
    4. Configurar los parámetros PIV. Los parámetros PIV consisten en la PIV cámara fotogramas (que es igual a la tasa de repetición de pulso de doble láser), la sincronización entre pares de la imagen (es decir, tiempo entre pulsos consecutivos (doble) láser) y el número de pares de imágenes para recoger. Refinamiento de estos ajustes puede ser necesaria después de la revisión de los resultados del paso 1.1.5.
      1. Establecer los tiempos de la cámara PIV y láser (fotogramas). Estos determinan el tiempo de resolución de los mapas de vectores de velocidad de muestreo y debe ser como hasta medio la escala de tiempo más pequeña del flujo más alto posible (limitación de la cámara PIV, láser o espacio en disco duro).
      2. Configurar la sincronización entre imágenes consecutivas de la PIV (es decir, un par de imágenes PIV).
        1. Configurar la sincronización entre imágenes consecutivas de PIV basado en la velocidad de flujo promedio en la instalación y el tamaño de las ventanas del interrogatorio (ver 2.1.1). Tienen los trazadores desplazar aproximadamente 1/4-1/2 del interrogatorio el tamaño de la ventana en el tiempo transcurrido entre imágenes consecutivas. El tiempo entre imágenes consecutivas también establece el tiempo entre los pulsos del dos láser.
        2. Predefinir el primer pulso al fuego poco tiempo después de que ha abierto el obturador de la cámara PIV. Si utiliza una cámara PIV de correlación cruzada, la cámara PIV almacena la imagen en su memoria de búfer y vuelve a abre el obturador de nuevo.
        3. El segundo pulso de láser basado en la configuración del tiempo en el fuego. Una vez el segundo fuego de pulso, obturador de la cámara se cierra otra vez, enviando dos imágenes al capturador de marco (o memoria de la cámara de a bordo PIV).
        4. Determinar el tiempo entre el primer pulso que desencadena la adquisición de la primera imagen de la pareja de la imagen y el primer impulso que provoca la adquisición de la primera imagen del par posterior de la imagen por el marco de cámara PIV tasa (véase 1.1.4.1).
      3. Establecer el número de pares de imágenes para recoger. El número de pares de imágenes para recoger debe seleccionarse para asegurar la convergencia de las propiedades de flujo estadística, que depende de la disposición experimental pero está típicamente en el rango de cientos o miles de pares de la imagen.
    5. Pruebe la configuración PIV.
      1. Configurar el láser a modo de disparador externo para ambas cabezas láser y aumentar la potencia del láser. Oscurecer totalmente la habitación.
      2. Iniciar la recolección de datos en modo continuo sincronizado por un par de segundos.
      3. Detener la recopilación de datos.
      4. Cruz imagen correlación pares recogieron (ver 2.1.1).
        1. Si el porcentaje de vectores buena pasando la relación señal a ruido (relación entre el pico más alto de correlación cruzada al segundo más alto Cruz pico de correlación – véase 2.1.1) no está en la gama superior de 90% o media tracer son desplazamientos dentro de windows del interrogatorio no aproximadamente 0.25-0.5 el tamaño de ventana de interrogación, repetir y verificar la correcta aplicación de los pasos de la sección 1.1 hasta que se logra. Una vez que se alcanzan estos valores, detener la instalación (oscilación de la red de parada).
  2. Configuración de seguimiento de partículas de alta velocidad 2D
    1. Posición de la luz monocromática de la línea de LED.
      1. Elegir la luz de la línea de LED que ilumina la partícula bajo investigación (p. ej., partículas de sedimento) con gran dispersión intensidad (gran diferencia de índice de refracción de la partícula respecto del fluido). También deben ser capaces de iluminar continuamente o que puede ser sincronizado con la cámara PT.
      2. Minimizar el espesor de la luz de la línea ideal con el grueso de la hoja ligera de PIV, pero no debe ser más de 10 veces más gruesa que el espesor de la hoja ligera de PIV para reducir ambigüedad debido al movimiento de la partícula fuera de plano.
      3. El tamaño de la anchura de la línea de luz del LED para emparejar o para abarcar el FOV PIV. Montar el LED perpendicular a la hoja de luz generada por el láser, por lo que no existen problemas de obstrucción de la luz (p. ej., PIV ficha técnica de iluminación desde el lado) y el LED de la parte inferior. Vea la figura 1.
      4. Alinee la luz LED de línea tales que el grueso de la hoja ligera de PIV está centrado en el espesor de la línea ligero del LED. Sólo ajustar la posición de la luz LED para conseguir esta alineación. Movimiento de la hoja de luz de PIV necesario repitiendo los pasos en el punto 1.1.
    2. Posición y realizar la calibración preliminar de la cámara de alta velocidad PT.
      1. Fije un objetivo a la cámara de PT, encender la cámara de PT en el modo libre/continuo/Live y grueso enfoque la cámara PT. Si es necesario, ajuste el diafragma de cámara de PT para permitir suficiente luz ser recibidos por el sensor de imagen de la cámara de PT; Este valor de f puede ser diferente cuando se utiliza luz blanca de la sala frente a la iluminación con LED. Selección de la lente y la distancia entre la cámara y la línea LED luz determina el tamaño físico de la imagen del PT. Idealmente, la cámara de PT FOV será menor (o similar) el tamaño del área iluminado por el LED.
      2. Asegurar que la cámara de alta velocidad es perpendicular a la luz de línea y grueso ajustar la altura para que la región de interés está dentro de FOV la PT cámara e incluye el FOV PIV.
      3. Nivel de la cámara de PT con respecto a la parte inferior de la instalación de flujo (o con respecto a la tierra si se desea tener velocidades verticales alineados con la aceleración de la gravedad). Es de suma importancia que la cámara PT ser exactamente perpendicular al plano iluminado por la línea de luz, así que esto debe revisarse cuidadosamente.
      4. Apague la cámara PT, encender la luz de la línea, coloque un objetivo de calibración alineado con el centro de la luz de línea y apagar la luz de la línea.
      5. Vuelva a encender la cámara PT y refinar su enfoque en el blanco de calibración. Refinar aún más la lente y la distancia hasta el tamaño de la imagen es suficiente para observar la región de interés y que incluye el FOV PIV.
      6. Elegir la lente y la distancia que la cámara de alta velocidad PT FOV es más grande que el FOV PIV. Este acuerdo es necesario para asegurar que la cámara de la PIV y la cámara de alta velocidad PT no físicamente bloqueen mutuamente.
      7. Organizar las cámaras PT y PIV verticalmente (apilados) o desplazamiento al lado uno del otro. Puede ser conveniente alinear un extremo de la alta velocidad PT FOV y PIV FOV. La resolución de píxeles de la cámara del PT va a determinar qué tan bien la región puede resolverse en el espacio; por lo tanto, debe ser considerado. El factor de conversión entre unidades físicas y píxeles determina la distancia física de un píxel. Las partículas deben desplazar aproximadamente 3-10 píxeles entre imágenes consecutivas, y si este desplazamiento es demasiado grande (o pequeño) porque el FOV es demasiado pequeño (o demasiado) o el número de píxeles es demasiado grande (o pequeño) entonces las partículas pueden desplazar un ideal número de píxeles entre las imágenes (ver también 1.2.3.2).
      8. Seleccionar las partículas para la investigación.
        1. Uso de las partículas de interés mucho más grande que el PIV siembra marcadores para distinguir suficientemente entre las partículas investigadas y los trazadores PIV. Han tenido éxitos con partículas de aproximadamente 5 veces más grandes que los trazadores PIV y considerar este el límite inferior, pero el límite puede depender de los índices de refracción de la partícula y fuentes de luz. Las partículas investigadas deben abarcar alrededor de 4-5 píxeles en el área de la imagen de la cámara de alta velocidad. Por lo tanto, el tamaño de las partículas investigadas puede permitir menos píxeles de resolución para la imagen de alta velocidad de las imágenes PIV.
        2. Repita los pasos 1.2.2.1-1.2.2.5 según sea necesario para lograr este paso.
      9. Adquirir una imagen de la blanco de calibración. Confirme la cámara PT nivel asegurándose de que la altura en una fila del blanco de calibración es constante y que la posición horizontal a lo largo de una columna del blanco de calibración es consistente. También verifique el tamaño de marcadores de calibración en cada esquina de la imagen con el fin de evaluar la cantidad de distorsión de la imagen, que debe ser reducido al mínimo (no diferencian por más de 1 pixel).
    3. Configure los parámetros de la cámara de alta velocidad. Los parámetros de la cámara de alta velocidad consiste en la velocidad de fotogramas de la cámara de PT (en este caso también ajuste el tiempo de exposición), la resolución de la cámara de la PT (fotograma completo o binning los píxeles para aumentar la velocidad de fotogramas o prolongar el tiempo de adquisición) y el número de imágenes recogidos.
      1. Establecer el número de imágenes que recoge (es decir, la longitud de tiempo de la adquisición). Influye en el número de imágenes que recogen el número de trayectorias de la partícula medida — más tiempo de adquisición, las trayectorias más que se pueden medir.
      2. Establecer la velocidad de fotogramas (y tiempo de exposición) y la resolución de la cámara de alta velocidad PT.
        1. Evite ajustar la tasa de adquisición de imagen de alta velocidad a igual o múltiplo de la velocidad de fotogramas PIV. Establecer la velocidad de fotogramas basada en la velocidad estimada de las partículas en el flujo. Las partículas deben desplazar más de 1 o 2 píxeles para evitar casos de superposición de posiciones de la partícula en dos imágenes consecutivas; sin embargo, un boquete grande (> 10 píxeles) tendrá como resultado menos confianza en la identificación de la misma partícula en imágenes consecutivas, produciendo pérdida de trayectoria de la partícula (ver 2.2.4). Ajustar el PT cámara resolución y velocidad de fotogramas para lograr desplazamientos de partículas en este rango (3-10 píxeles).
    4. Probar la configuración de la cámara de alta velocidad.
      1. Línea de encendido el LED de luz y de otra manera oscurecer la habitación.
      2. Ejecute la instalación (Inicio oscilante la cuadrícula).
      3. Introducir las partículas en el flujo y unos marcos de captura después de que las partículas aparecen en el campo de visión de la cámara de alta velocidad. Superposición de fotogramas consecutivos y evaluar si pueden distinguirse las partículas en fotogramas consecutivos.
        1. Comprobar que la introducción de partículas en campo visual de la cámara de alta velocidad se produce suficientemente lejos del FOV que efectos de entrada son insignificantes, que la densidad de partículas es tan escasa que no son frecuentes casos de superposición de partículas dentro de la alta velocidad imagen FOV y ese movimiento de la partícula es principalmente en el plano de imagen para que las partículas son rastreables por el ojo de la cámara FOV/PT historia de imagen de cámara.
        2. Si no se obtienen estos resultados, repita 1.2 hasta que se logra. Una vez logrado, dejar la instalación (oscilación de la red de parada).
  3. Calibración Final combinado
    1. Coloque el blanco de calibración en hojas de luz el LED y el PIV y PIV y PT cámara campo de imagen. La calibración deberá ser visible por la cámara de alta velocidad PT y cámara PIV. Verifique que ambas cámaras estén en foco. Si uno no está en foco, pasos 1.1 y 1.2 deben repetirse para el PIV cámara y cámara de alta velocidad, respectivamente.
    2. Asegúrese de que existe al menos una marca única en el blanco de calibración que es visible por la cámara de alta velocidad FOV y la cámara PIV FOV. Medir y denotan la posición de esta marca única en espacio físico para los propósitos del registro espacial entre las imágenes.
    3. Calibrar la cámara de alta velocidad por capturar y guardar una imagen de la blanco de calibración de la cámara de alta velocidad PT. Calibrar la cámara PIV del mismo modo.
    4. Quitar el blanco de calibración del líquido.
  4. Recolección de datos
    1. Ejecutar la instalación (red oscilar) hasta alcanzar el estado estacionario (~ 20 min).
    2. Establecer las condiciones de iluminación por oscurecimiento de la habitación y luz de torneado en el LED. Agregar las partículas en el líquido.
    3. Síncrono iniciar adquisición de imágenes para ambos sistemas cuando aparecen las primeras partículas en la cámara de alta velocidad PT FOV (en modo live).
    4. Descargar las imágenes de alta velocidad de la RAM para la alta velocidad cámara PT y guardar las imágenes adquiridas por la cámara PIV.
    5. Detener la instalación (parada de las oscilaciones de la red).

2. Análisis de la imagen

Nota: Existen numerosos paquetes de software disponibles para realizar análisis de imagen de la PIV y PT – comercial y freeware. Para el análisis PIV, códigos freeware son OpenPIV (http://www.openpiv.net/) y MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). Las empresas comerciales también venden software de análisis de PIV. Para el análisis de PT, existen numerosos códigos de seguimiento de partículas en 3D y 2D como Partícula Tracker (https://omictools.com/particle-tracker-tool); un listado completo de varias plataformas de software se puede encontrar aquí: https://omictools.com/particle-tracking-category o http://tacaswell.github.io/tracking/html/. Más paquetes de análisis, por ejemplo, MATLAB, han construido herramientas que hacen relativamente fácil de implementar su propio código de seguimiento. Para los resultados presentados en este estudioOpenPIV, ETIy MATLAB personalizado escrito códigos de seguimiento fueron utilizados.

  1. Analizar imágenes PIV
    1. Dividir cada imagen en una cuadrícula de ventanas de interrogatorio (p. ej., 64 x 64 píxeles2 con superposición del 50%) sobre el cual la velocidad promedio del flujo en cada ventana se calcula correlacionando la Cruz dos PIV imágenes consecutivas (es decir, par de imágenes PIV) como discuten en la configuración PIV, sección 1.1.4.2.
      Nota: La distancia entre la correlación de pico en cada ventana y el centro de la ventana define el desplazamiento del palpador promedio en esa ventana. Una vez calibrado, este desplazamiento dividido por el tiempo entre imágenes consecutivas de PIV (par de imágenes PIV - ver paso 1.1.4.2) produce las estimaciones de los dos componentes en el plano de la velocidad en cada ubicación4. Colectivamente, que se denomina un mapa del vector velocidad. El tamaño de la ventana de interrogatorio determina la resolución del campo de flujo producido por el análisis PIV como la mitad de esta distancia es la velocidad computada vector distancia. Este espacio junto con el píxel al factor de conversión de unidad física establece la resolución del campo del flujo medido. Además, para obtener números bajos de vectores erróneas (ver 2.1.2), un número suficiente de marcadores debe estar presente en cada ventana (trazadores de al menos 8-10) y deben desplazar más de ¼ a 1/2 del tamaño de la ventana.
    2. Filtrar los resultados de la correlación cruzada para eliminar falsos resultados de los mapas de vectores de velocidad.
      1. Aplicar un filtro de señal a ruido (SNR). Que requieren una relación de 1.5 y superiores se utiliza normalmente (este número puede cambiar en base a las condiciones experimentales específicas).
        1. Fijar el SNR a ser la relación entre el primero y el segundo pico más alto de correlación en la ventana de la interrogación o la relación entre la primera y media correlación sobre la ventana de interrogatorio específico. Optimizar la relación SNR para cada conjunto de experimentos. El número de vectores fallando esta comprobación SNR no debe superar 10%.
      2. Filtro restante vectores erróneas (no superior al 5% entre pasos 2.1.2.2 y 2.1.2.3) con un filtro global que compara cada vector de velocidad individual con el mapa de velocidad media más o menos tres desviaciones estándar de las velocidades del mapa y elimina velocidades fuera de este rango.
      3. Filtro restante erróneo utilizando un filtro local que compara cada vector de velocidad individual con la velocidad media de un barrio de entorno velocidad vectores vectores (no superior al 5% entre pasos 2.1.2.2 y 2.1.2.3), típicamente 5 x 5 en tamaño.
        Nota: Uso de la mediana y determinación del tamaño de barrio puede cambiar dependiendo de las condiciones experimentales específicas.
    3. Reemplazar la erróneas vectores encontrados en el paso 2.1.2 con vectores interpolados (o la mediana de barrio) utilizando la información de los vectores de barrio circundante, típicamente de tamaño 5 x 5.
    4. Determinar el ratio de conversión de distancia-a-pixel. Examinar cuántos píxeles se traducen en una distancia específica utilizando la distancia entre los marcadores en el blanco de calibración reflejada en paso 1.3.3.
    5. Calibrar los vectores. Convertir los vectores en pasos 2.1.1-2.1.3 a unidades físicas utilizando este factor de conversión de paso 2.1.4 y el tiempo entre los pares de la imagen en paso 1.1.4.2; conversión de los desplazamientos en píxeles a velocidades en unidades físicas.
  2. Analizar imágenes de alta velocidad
    1. Quitar cualquier fotogramas de la serie de tiempo de alta velocidad de imagen en la que el láser PIV fue iluminando el flujo.
      1. Suma los valores de intensidad de cada marco adquirido. Los marcos en los que el láser PIV fue intermitente tienen una intensidad sumada que es mucho mayor que aquellos sin el láser PIV activo en la imagen. Partiendo de un umbral en la intensidad sumada, quitar las imágenes de la serie de tiempo que tienen una intensidad sumada supera el umbral. Vea sección 1.2.3.2 dirección para minimizar la cantidad de cuadros para que esto ocurra.
    2. Convertir imágenes restantes de la escala de grises en imágenes binarias usando un umbral. En este caso, utilizamos el método de Otsu para determinar el umbral que las partículas se convierte en el blanco y el fondo negro.
    3. Realizar análisis de blob para cada imagen.
      1. Identificar regiones de conectividad en la imagen en blanco y negro - en lo sucesivo como objetos. Normalmente, se utiliza una conexión de 8 píxeles.
      2. Saque todos los objetos que son mucho más pequeños en área (es decir, el número de píxeles objeto consume en la imagen) que el tamaño típico de partícula en píxeles de la imagen, típicamente alrededor de 3 píxeles.
    4. Calcular las trayectorias de la partícula.
      1. Determinar el centroide de todos los objetos (restantes) en la primera imagen.
      2. Para cada objeto detectado, buscar la imagen posterior para el mismo objeto mediante la búsqueda en una región cerca del centroide en la imagen anterior. Si sólo se encuentra una partícula u objeto dentro de la ventana de búsqueda, luego continuar la trayectoria y registrar la ubicación del centroide en esa imagen; de lo contrario, terminar la trayectoria.
        Nota: Demasiado grande de la búsqueda de una área puede resultar en la incorrecta identificación de la partícula en la imagen posterior para el área de búsqueda debe ser como restringido tanto como sea posible sin causar sesgo en los resultados. Si la posición del objeto en el fotograma posterior es con frecuencia en el rango máximo de la ventana de búsqueda, la ventana de búsqueda no es bastante grande.
      3. Repita el paso 2.2.4.2 hasta que ya no puede encontrar el objeto en la imagen posterior. Cuando esto ocurre, la trayectoria se considera terminado.
        Nota: Si la mayoría de las partículas las pistas son siempre corto (por ejemplo, menos de 5 cuadros), a continuación, este resultado podría indicar que hay considerable movimiento tridimensional y que este método no es adecuado. Como regla general, las pistas de la partícula deben ser por lo menos 1/4 de la partícula seguimiento FOV14; pero necesidad de longitudes de pista concreta puede variar con la aplicación.
      4. Repita los pasos 2.2.4.1-2.2.4.3 a partir del segundo marco para cualquier objeto no ya rastrean de cuadro 1. Repita este proceso para todos los posibles marcos de partida. El resultado será una biblioteca de trayectorias de partículas durante el experimento.

3. Análisis

  1. Calcular las partículas velocidades y aceleraciones de trayectorias de la posición de las imágenes de alta velocidad utilizadas por el PT.
    1. Distinguen las trayectorias de partículas cumplió en 2.2 en tiempo (basado en el sistema de tasa de marco en paso 1.2.3.2) para calcular velocidades en cada dirección. Esta diferenciación de tiempo resulta en estimaciones de la velocidad de la lagrangiana de las partículas en píxeles por unidad de tiempo.
      Nota: Este paso sólo debe realizarse si se desea información de velocidad de las partículas.
    2. Calibrar las velocidades mediante la conversión de las velocidades de píxeles por unidad de tiempo a distancia por unidad de tiempo. El factor de conversión (distancia por pixel) puede obtenerse examinando la distancia entre los marcadores en el blanco de calibración reflejada en paso 1.3.3.
  2. Realizar la descomposición de Reynolds en PIV vector mapas para calcular cantidades turbulentas.
    1. Calcular la media de conjunto sobre todos mapas de vector de velocidad PIV recogidos en cada ubicación en los mapas de vectores PIV obtenido en el paso 2.1.
    2. Realizar una descomposición de Reynolds al restar estos valores computados en 3.2.1 de la velocidad instantánea en cada mapa para obtener la serie de tiempo de fluctuaciones de velocidad turbulenta.
    3. Calcular estadísticas de interés, por ejemplo, velocidad turbulenta media cuadrática (RMS). Alternativomente, uno podría examinar las fluctuaciones turbulentas en localidades de partícula exacta dentro de las trayectorias.

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Representative Results

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Un esquema del montaje experimental se muestra en la figura 1. La figura muestra el arreglo de hojas de luz (LED y láser), la superposición en el campo de la imagen y la posición del campo de la imagen en relación con la rejilla oscilante y paredes del tanque. Las turbulencias y las partículas se miden simultáneamente como se describe en la sección de protocolo. La figura 2 muestra resultados de ejemplo de las mediciones de la velocidad instantánea y Vorticidad junto con trayectorias de partículas de muestra. Se evalúan los resultados del análisis PIV basado en computación el RMS de las fluctuaciones turbulentas. Para esta instalación rejilla oscilante, la magnitud de la media espacial de la fluctuación de velocidad RMS sobre el FOV PIV debe aumentar con frecuencia de la rejilla por ambos componentes de velocidad7,15. Si no se obtiene este resultado, entonces la instalación de red, configuración de PIV o análisis PIV contienen errores y debe repetirse. Un ejemplo del perfil vertical de las fluctuaciones de velocidad RMS para frecuencias diferentes de la red se proporciona en la figura 3, donde se muestra que las fluctuaciones turbulentas de la RMS aumentan con la frecuencia de la rejilla.

Las trayectorias de partículas se evalúan mediante el examen de la distribución de las velocidades de las trayectorias de la partícula, como se muestra en la figura 4. Estas distribuciones deben ser aproximadamente Gaussianas en la distribución. Si no, puede haber un problema con la adquisición de las imágenes alta velocidad dependiendo de las condiciones de flujo, un tema con el análisis de las imágenes de alta velocidad, o un número insuficiente de trayectorias de la partícula. En esta aplicación particular del método, la validación de los resultados de la trayectoria también se logra en comparación a las curvas de16 Dietrich de agua estancada. Cálculos de la trayectoria en agua utilizando el mismo procedimiento aquí descrito para las partículas deben generar una velocidad de sedimentación que concuerda aproximadamente con estas curvas empíricas como se muestra en la figura 5, donde los resultados para el flujo estancado condición Mostrar acuerdo con el Dietrich16 curvas. Figura 5 también muestra que las partículas tienden a aumentaron velocidades de sedimentación en turbulencia en Jacobs et al. 7.

Figure 1
Figura 1: Descripción esquemática de la disposición experimental, que consiste en un tanque de turbulencia de red, configuración de velocimetría de imagen de partícula (usando una cámara CCD (PIV) y láser) y 2D alta velocidad imagen partícula seguimiento de instalación (usando una cámara CMOS (PT) y la luz LED ). Dimensiones en el esquema se encuentran en centímetros. Esta figura ha sido modificada desde se muestra en la Jacobs et al. 7 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: distribución de velocidad y trayectorias. (A) una distribución de la velocidad instantánea del fluido de ejemplo representada por vectores en píxeles/s superpuestos en Vorticidad instantánea caracterizado por color. El vector rojo de la escala en la esquina inferior izquierda representa 500 píxeles/s. (B) un ejemplo de lapso de tiempo (más de 30 imágenes de PT) trayectorias de partículas con un diámetro medio de 261 μm en las oscilaciones de la red de 5 Hz. Panel B de esta figura ha sido modificado desde se muestra en la Jacobs et al. 7 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: horizontalmente un promedio de perfiles verticales de la RMS de las fluctuaciones turbulentas vertical horizontal (a) y (b) para todas las frecuencias de la red (ver leyenda). Turbulentos velocidades RMS aumentan con la frecuencia de la rejilla. Valores de RMS se basan en 500 mapas vector calculado en todos los sitios y luego posteriormente hizo un promedio sobre todas las posiciones horizontales (50 puntos) en cada posición vertical para obtener los perfiles verticales que se muestra. Esta figura ha sido modificada desde se muestra en la Jacobs et al. 7 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: histogramas de las partículas miden velocidades horizontales y verticales en el agua estancada y condiciones turbulentas (ver subtítulos) para (A, izquierda dos paneles) una partícula de arena (forma irregular) natural con 261 μm diámetro medio y (B, derecha dos paneles) una partícula esférica sintética con un diámetro medio de 71 μm. Las líneas en las subtramas son Gaussian se adapta a los histogramas. Esta figura ha sido modificada desde se muestra en la Jacobs et al. 7 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: solución velocidades en condiciones de flujo turbulento y estancamiento versus tamaño de partícula para diferentes tipos de partículas. Como se muestra en la leyenda, los colores representan sedimentos diferentes tipos: partículas sintéticas o fabricadas, arena industrial varios tipos (120, 100, 35) y la arena de una playa en Myrtle Beach, SC-ver tabla 1 en Jacobs et al. 7 para más detalles. Los símbolos, incluyendo el círculo lleno, indican las condiciones de flujo representaron como frecuencia de la rejilla en la leyenda, donde estancada se refiere a frecuencia cero. Medida que aumenta la frecuencia de la rejilla, aumentan las fluctuaciones de velocidad turbulenta de RMS. También se muestran las curvas empíricas de Dietrich16 para la velocidad de sedimentación de partículas en aguas estancadas para varios factores de forma diferentes. Esta figura ha sido modificada desde se muestra en la Jacobs et al. 7 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

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El método descrito en este documento es relativamente barato y proporciona una manera simple de medir simultáneamente la trayectoria de la partícula y la turbulencia para examinar la influencia del flujo en la cinemática de la partícula. Cabe mencionar que los flujos o movimientos de partículas que son fuertemente tridimensionales no son apropiados para esta técnica. El movimiento hacia fuera-de-plano resultará en errores17 en 2D de seguimiento y el análisis PIV y debe reducirse al mínimo. Además, el método requiere la concentración de partículas orugas relativamente bajo (del orden de decenas de partículas por la imagen del PT). Esta restricción es importante para maximizar la confianza que la misma partícula se rastrean en imágenes consecutivas. Si demasiadas partículas existen simultáneamente en el campo de visión de la cámara de PT, luego inexactitudes en los cálculos de trayectoria y terminación anticipada de las trayectorias puede ocurrir así como aumento de errores en el análisis de imágenes PIV. En consecuencia, problemas relacionados con la floculación de partículas sería un reto para esta técnica a investigar porque las concentraciones de partículas grandes son generalmente necesarios. Por último, esta técnica es más adecuada para el seguimiento de las partículas más grandes (> 50 μm). Debe existir suficiente separación entre los trazadores PIV (~ 10 μm) de las partículas que están siendo rastreadas. Se sugiere un factor de al menos 5.

Los pasos más críticos en el protocolo para el rastreo de partículas son los pasos de la calibración, selección de la velocidad de fotogramas, la concentración de partículas en las imágenes y garantizar la alta relación de señal a ruido en las imágenes de alta velocidad. El análisis de blob requiere conversión de la imagen de escala de grises a una imagen en blanco y negro sobre el cual se computan las trayectorias de la partícula. Si el contraste en las imágenes de alta velocidad es tal que esta conversión es difícil, entonces errores en las trayectorias están probables porque habrá incertidumbre en la identificación de las partículas. Desplazamiento de la partícula insuficiente, demasiado grande de desplazamiento entre marcos, o demasiadas partículas puede conducir a errores en las trayectorias de la partícula o terminación anticipada de las trayectorias de la partícula. Para el PIV, la calibración del tamaño de la imagen, ajuste del tiempo entre los pares de la imagen, adecuada selección de los marcadores y toda la alineación entre la cámara PIV y el láser son los pasos más importantes para garantizar un buen resultado en el análisis de correlación de PIV , que es clave para la obtención de estadísticas precisas en la turbulencia.

Aquí, demostramos los resultados de la técnica aplicando para examinar la velocidad de sedimentación de diversos tipos y tamaños de las partículas de sedimentos en diferentes condiciones turbulentas. Los resultados muestran una distribución casi Gausiana de partícula solución velocidades (como velocidades horizontales) de que la media se considera una velocidad de asentamiento típico para la partícula en diferentes condiciones. El RMS de las fluctuaciones turbulentas de la velocidad muestran un aumento con frecuencia de la rejilla como esperado7,15 y son aproximadamente uniforme sobre la altura vertical del campo de visión (aparte de un caso de baja turbulencia - 2 Hz frecuencia de red, vea la figura 3 ). Juntos, estos resultados demuestran que la medida simultánea de las partículas y el campo de flujo eran acertados. También demuestran que hay mayor velocidad de sedimentación con el aumento de turbulencia7, que es consistente con la teoría de la "vía rápida" de comportamiento sedimentación de partículas en flujo turbulento11.

La utilización del método en el presente documento es un ejemplo de hacer frente a una pregunta científica que implica la interacción de partículas turbulencia; el método puede ser utilizado en otras disciplinas de investigación y aplicaciones. Además de examinar las tendencias en un aspecto particular del comportamiento de los objetos en diferentes condiciones de flujo, también es factible estudiar las velocidades de flujo en casos particulares en el tiempo a lo largo de la trayectoria de una partícula. La integración de la información de velocidad de flujo con los datos de trayectoria de la partícula depende de la pregunta específica que se investiga y ofrece una riqueza potencial de la información sobre la cinemática de la partícula en los flujos para una amplia gama de aplicaciones. En Resumen, esta técnica ofrece una solución de bajo costo para medición simultanea de trayectorias de la partícula y la turbulencia en un número de aplicaciones donde el fluido interactúa con partículas naturales o artificiales.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Porciones de este trabajo fueron apoyadas por la Fundación de II-VI y el costero Carolina profesional mejora Grant. También quisiéramos reconocer Corrine Jacobs, Marek Jendrassak y William Merchant para ayudan con la instalación experimental.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Optical lenses CVI LASER OPTICS Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV Other optics companies are acceptable. Spherical and cyclindrical lenses for generating PIV light sheet.
Camera lens for PIV Nikon Nikkor 105mm f/2D Other camera lens companies are acceptable. Camera lens for PIV imaging.
Camera lens for high-speed Nikon Nikkor 50mm f/1.8D Other camera lens companies are acceptable. Camera lens for high-speed imaging.
Dual-head pulsed laser Quantel EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz Other laser companies are acceptable. Dual-head Pulsed-laser for PIV: Nd:YAG
LED line light Gardasoft Vision, Ltd. VLX2 LED Line Lighting - Green - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04 Other companies are acceptable. Line light for LED.
PIV seeding particles/tracers Potters Industries SPHERICAL Hollow Glass Spheres: 11 mm average diameter Other companies are acceptable. PIV seeding particles
CCD cross-correlation camera TSI, Inc. POWERVIEW 11M: CCD, Double-exposure, 4008x2672 pixels @ 4.2 Hz with 12bit dynmic range Other companies are acceptable. Double-exposurem, CCD camera for PIV imaging.
High-speed camera Photron FASTCAM SA3; Model 60K: 1024x1024 pixels @ 1kHz Other companies are acceptable. CMOS camera for high speed imaging.
Synchronizer TSI, Inc. LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036 Other companies are acceptable. Synchronize the acquisition of the PIV camera and laser.
Calibration target TSI, Inc. Other companies are acceptable. Precision target for image calibration.

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References

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Medida simultánea de la cinemática de la partícula usando técnicas de imagen de flujo y turbulencia
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Hackett, E. E., Gurka, R. Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques. J. Vis. Exp. (145), e58036, doi:10.3791/58036 (2019).More

Hackett, E. E., Gurka, R. Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques. J. Vis. Exp. (145), e58036, doi:10.3791/58036 (2019).

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