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Engineering

Mesure simultanée de la Turbulence et de la cinématique de particules qui utilise les Techniques d’imagerie de flux

doi: 10.3791/58036 Published: March 12, 2019

Summary

La technique décrite dans la présente offre une méthode relativement simple et faible coût pour mesurer simultanément la cinématique de la particule et la turbulence des flux avec des concentrations de particules de faible. La turbulence est mesurée à l’aide de la vélocimétrie par image de particules (PIV), et la cinématique de particules sont calculés à partir des images obtenues avec une caméra à grande vitesse dans un champ de vision qui se chevauchent.

Abstract

Nombreux problèmes dans les domaines scientifiques et techniques impliquent comprendre la cinématique des particules dans les écoulements turbulents, comme contaminants, micro-organismes marins et/ou les sédiments dans l’océan, ou les réacteurs à lit fluidisé et les procédés de combustion dans ingénierie des systèmes. Afin d’étudier l’effet de la turbulence sur la cinématique des particules dans ces flux, la mesure simultanée de la cinématique de l’écoulement et la particule est nécessaire. Il existe des techniques de mesure de débit non intrusive, optiques pour mesurer la turbulence, ou pour le suivi des particules, mais toutes deux mesurant simultanément peut s’avérer difficile en raison de l’interférence entre les techniques. La méthode présentée ici fournit une méthode relativement simple et abordable pour faire une mesure simultanée de la cinématique de flux et de particules. Une coupe transversale de l’écoulement est mesurée par une technique particule image velocimetry (PIV) qui fournit les deux composantes de la vitesse dans le plan de mesure. Cette technique utilise un laser pulsé pour éclairer le champ d’écoulement ensemencée qui est photographié par un appareil photo numérique. La cinématique de la particule sont projetés simultanément à l’aide d’un feu émettant une lumière de ligne de diode électroluminescente (DEL) qui illumine une section transversale plane du débit qui chevauche la PIV champ de vision (FOV). La lumière de la ligne est d’une puissance assez basses qu’elle n’affecte pas les mesures PIV, mais assez puissant pour éclairer les plus grosses particules d’intérêt imagés à l’aide de la caméra à grande vitesse. Des images à grande vitesse qui contiennent des impulsions laser de la technique du PIV sont facilement filtrés en examinant le niveau d’intensité cumulée de chaque image à grande vitesse. En faisant de la fréquence d’images de la caméra à grande vitesse sans commune mesure avec celle de la fréquence d’images de caméra PIV, le nombre d’images contaminés dans les séries chronologiques à grande vitesse peut être minimisé. La technique est conçue pour des débits moyens qui sont principalement de deux dimensions, contiennent des particules qui sont au moins 5 fois le diamètre moyen de la PIV ensemencement à traceurs et contiennent peu de concentration.

Introduction

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Il existe un grand nombre d’applications dans les domaines scientifiques et techniques qui concernent le comportement des particules dans les écoulements turbulents, par exemple, les aérosols dans l’atmosphère, des contaminants et des sédiments dans les systèmes et marine les micro-organismes ou les sédiments dans l’océan1,2,3. Dans de telles applications, il est souvent intéressant de comprendre comment les particules répondent aux turbulences, qui exige la mesure simultanée de la cinématique des particules et la dynamique des fluides.

Les technologies existantes pour mesurer les mouvements des particules, appelés suivi de particules (PT), qui suit les trajectoires de particules individuelles et la technique statistique de particle image velocimetry4,5 (PIV), utilisé pour mesurer le flux vitesses, tous deux intègrent des techniques optiques non intrusives. Le principal défi dans l’utilisation de ces techniques optiques non intrusives pour mesurer le débit et la particule cinématique simultanément est l’éclairage séparé requis pour chaque technique d’imagerie qui ne peut pas interférer avec l’autre mesure précision ( par exemple, la source d’illumination pour mesurer la cinématique de la particule ne peut agir comme une source de bruit important dans la mesure de la vitesse du fluide et vice versa). Le contraste de l’image dans les deux ensembles d’images doit être suffisante pour obtenir des résultats fiables. Par exemple, les images de PT sont convertis aux images en noir et blanc afin d’effectuer une analyse de blob afin de déterminer les positions des particules ; ainsi, le contraste insuffisant conduit à des erreurs dans la position de la particule. Faible contraste en PIV images s’élève à un faible ratio signal-bruit qui provoqueront des inexactitudes dans l’estimation des vitesses fluides.

Ici, une méthode relativement simple et faible coût de mesurer simultanément les deux vitesses de cinématique et flux de particules est décrite. Grâce à l’utilisation d’une lumière monochromatique haute puissance émettant ligne de diode (LED) lumière, où la ligne se réfère à l’ouverture lumineuse et la double tête laser de haute intensité, les deux particules d’intérêt et le champ d’écoulement sont imagés simultanément dans la même région. La puissance élevée de la LED est suffisante pour l’imagerie de particules (chenilles) par la caméra à grande vitesse mais n’influe pas sur les images PIV parce que l’intensité de la lumière diffusée par des traceurs PIV est trop faible. Quand le double tête haute intensité laser illumine le champ d’écoulement pour les images PIV, il se produit sur un intervalle de temps court et ces images sont facilement identifiés et supprimés des séries chronologiques obtenues par la caméra PT à grande vitesse lorsqu’ils sont enregistrés. PIV laser à impulsions enregistrées dans le temps d’image haute vitesse (utilisé pour le suivi de particules) série peut être minimisé en n’exécutant ne pas les deux systèmes à cadences d’acquisition qui soient comparables entre eux. Dans les configurations plus avancées, on peut déclencher l’extérieurement les caméras PT et PIV avec un retard qui garantirait que cela n’arrive pas. Enfin, par un examen attentif de la quantité de particules suivies au sein de la PIV champ de vision (FOV), le toutes les erreurs introduites par ces particules suivies dans l’analyse de corrélation d’images PIV sont déjà pris en compte par l’estimation de l’erreur globale, y compris des erreurs associées à granulométrie non uniforme des traceurs PIV dans la fenêtre de l’interrogatoire. La grande majorité de la PIV ensemencement à traceurs suivent le flux, ce qui donne des estimations de vitesse de débit précis. Ces techniques permettent la mesure directe simultanée de ces deux particules cinématique flux matière et dans un plan à deux dimensions.

Cette technique est démontrée par son application afin de déterminer les particules régler les caractéristiques dans un écoulement turbulent, similaire à celle utilisée dans les études par Yang et timide6 et Jacobs et al. 7. régler les particules est l’ultime étape de transport des sédiments, qui consiste généralement en suspension de sédiments, transport et sédimentation. Dans la plupart des études antérieures qui ont abordé la particule s’installant dans les écoulements turbulents, soit des trajectoires de particules ou de vitesses turbulentes ne mesurent pas directement, mais déduit théoriquement ou modélisé8,9,10. Détails sur les interactions entre les particules et les turbulences ont plus souvent été étudiées à l’aide de modèles théoriques et numériques en raison des limitations expérimentales en mesurant tous les deux en même temps6,11. Nous présentons une étude de cas d’interaction particules-turbulences dans une installation de grille oscillante, où l'on étudie la vitesse de sédimentation des particules et leur couplage avec la turbulence. Pour plus de clarté, nous désignerons ci-après aux particules incriminés comme « particules » et l’ensemencement utilisés pour la technique PIV comme « traceurs » ; en outre, nous ferons référence à l’appareil utilisé pour l’imagerie à grande vitesse des trajectoires de particules comme le « suivi des particules », « PT » ou « haute vitesse » caméra, qui mesure « images à grande vitesse » et l’appareil photo utilisé pour la méthode PIV la « caméra PIV », qui mesure « images ». La méthode décrite ici permet la mesure simultanée de la cinématique des particules et la dynamique des fluides sur un champ prédéfini d’intérêt au sein de l’établissement. Les données obtenues fournissent une description à deux dimensions de l’interaction de la particule-turbulence.

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Protocol

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Remarque : Tous les employés soient formés à l’utilisation sécuritaire et fonctionnement des lasers de classe IV ainsi que dans l’utilisation sans danger d’outils manuels et mécaniques.

1. expérimental

  1. Installation PIV
    1. Mettre en place la double tête laser et optique.
      1. Placer le laser sur une plaque d’optique. Niveau laser en ce qui concerne le fond de l’installation (ou par rapport au sol si on le désire d’avoir des vitesses verticales alignées avec accélération gravitationnelle) et aligner verticalement le faisceau laser avec le centre de l’avion 2D pour être photographié.
      2. Placez la lentille cylindrique sur le parcours du faisceau laser en le fixant à la plaque de l’optique. La lentille formeront le faisceau dans un plan 2D. La taille de l’avion 2D imagée dépendra de la distance focale de la lentille et la distance de la région à étudier. Ajuster la lentille et la distance jusqu'à ce que la région illuminée est assez grande pour l’application spécifique.
      3. Placer une lentille sphérique sur la plaque optique entre la lentille cylindrique et le plan de l’image 2D. La distance entre les lentilles sphériques et cylindriques et la distance focale de la lentille sphérique déterminera l’épaisseur de la plan 2D lumineux (nappe de lumière). Régler cette distance et la longueur focale de la lentille jusqu'à ce que la nappe de lumière est environ 0,5 à 1 mm d’épaisseur.
    2. Positionner et effectuer un étalonnage préliminaire de la caméra PIV.
      1. Fixer un objectif de la caméra PIV, sa mise en marche la caméra PIV en mode libre/continu et grossièrement se concentrer la caméra PIV. Ajuster le diaphragme de la caméra PIV pour permettre suffisamment de lumière être reçue par le capteur d’image ; ce paramètre de f-stop peut-être varier lors de l’utilisation de lumière blanche de la pièce par rapport à l’éclairage à base de laser.
        1. Ajuster la lentille et la distance jusqu'à la taille de l’image est suffisante pour observer la zone d’intérêt. Sélection de la lentille et la distance entre la caméra de la PIV et la nappe de lumière détermine la taille physique de l’image de la caméra de la PIV. Idéalement, la taille de l’image doit être plus petit que (ou similaire à) la taille de l’installation de la nappe de lumière en 1.1.1.
      2. Assurez-vous que la caméra PIV est perpendiculaire à la nappe de lumière et réglez grossièrement la hauteur telle que la région d’intérêt (définies par les limites de la nappe de lumière – voir l’étape 1.1.1) relève champ de vision de la caméra PIV (FOV).
      3. Niveau de la caméra PIV en ce qui concerne le fond de la facilité d’écoulement (ou par rapport au sol si on le désire d’avoir des vitesses verticales alignées avec accélération gravitationnelle). Il est primordial que la caméra PIV être exactement perpendiculaire à la nappe de lumière, donc cela doit être vérifiée soigneusement.
      4. Éteignez votre appareil PIV et allumer l’appareil. Placez une target de calibration, aligner le centre de la nappe de lumière, puis éteindre le laser.
        Remarque : La cible du calibrage est une plaque à deux dimensions (généralement en métal à des fins de rigidité), contenant des marqueurs multiples (p. ex., points ou traverse) alignés dans une formation de grille régulièrement espacés. La plaque est généralement peint en noire avec des marqueurs blancs. La distance connue entre les marqueurs permet l’estimation d’un facteur de conversion entre unités physiques et pixels.
      5. Rallumez la caméra PIV et affiner le focus de la caméra PIV sur la cible de calibrage. La résolution en pixels de la caméra PIV déterminera la façon dont la région peut être résolue dans l’espace ; ainsi, on devrait considérer (voir étapes 2.1.1 et 2.1.4 pour plus de détails sur ces considérations).
      6. Capturer une image. Confirmer que la caméra PIV est un niveau en veillant à ce que la hauteur sur une ligne de la cible de calibrage est conforme ainsi que la position horizontale le long d’une colonne de la cible de calibrage est conforme. Vérifiez la taille des marqueurs d’étalonnage dans chacun des coins de l’image (en pixels) afin d’évaluer la quantité de distorsion de l’image, qui devrait être réduite au minimum. La différence de taille des marqueurs d’étalonnage dans chacun des quatre coins devrait idéalement être nulle ; mais ne doit pas différer de plus de 1 pixel.
    3. Ajoutez des traceurs PIV au flux.
      1. Sélectionnez traceurs appropriés que sont neutre flottant (densité semblable comme le fluide), la chimiquement inerte, il conviendra de taille et la forme (sphérique et assez petit pour suivre le flux) et ont un indice de réfraction élevé par rapport à la fluide12,13 .
        Remarque : Dans l’étude de cas présentée où le fluide est de l’eau, nous avons utilisé des sphères de verre creux avec un diamètre moyen de 10 μm et densité de 1,1 g/cc.
      2. Introduire les traceurs PIV dans le flux et lancez l’installation (osciller la grille) jusqu'à ce qu’ils sont bien mélangés. Progressivement introduire à traceurs et évaluer la qualité d’image et un niveau de densité des traceurs qu’il contient.
        Remarque : Une grande séparation entre les niveau intensité traceur gris et l’intensité de l’arrière-plan est optimale.
        1. Évaluer en tournant sur le laser et collectionner des images en mode libre/continu. Concentration des traceurs dans l’image doit être dense mais pas moucheté4,14. Notez bien la taille de la fenêtre de corrélation désirée en sélectionnant le niveau de concentration, comme il est suggéré d’avoir autour de 8-10 paires de particules claires dans la PIV image paires pour l' analyse de corrélation croisée4 (voir l’étape 2.1.1).
    4. Définir les paramètres de la PIV. Les paramètres de la PIV composent de la PIV caméra cadence (qui est le même que le taux de répétition de la double impulsion de laser), la synchronisation entre les paires d’images (i.e., temporisation entre impulsions consécutives (double)) et le nombre de couples d’images de recueillir. Raffinement de ces paramètres peut être nécessaire après examen des résultats de l’étape 1.1.5.
      1. Définir le minutage de la caméra de la PIV et le laser (cadence). Ces déterminer le temps de résolution des cartes vecteur vitesse échantillonnés et devrait être aussi haut que possible (limitation des PIV caméra, laser ou le disque dur) jusqu'à la moitié l’échelle de temps plus petit de l’écoulement.
      2. Régler l’allumage entre images consécutives de PIV (c.-à-d., un couple d’images PIV).
        1. Régler l’allumage entre images consécutives de PIV basé sur la vitesse de débit moyen dans l’installation et la taille des fenêtres interrogatoire (voir 2.1.1). Avoir à traceurs déplacer environ 1/4-1/2 de l’interrogatoire, taille de la fenêtre dans le temps s’est écoulé entre images consécutives. Le temps entre les images consécutives définit également la synchronisation entre les impulsions deux laser.
        2. Prédéfinir la première impulsion pour tirer un peu de temps après l’ouverture de l’obturateur de la caméra de la PIV. Si vous utilisez une caméra PIV de corrélation croisée, la caméra PIV enregistre l’image dans sa mémoire tampon et ré-ouvre l’obturateur à nouveau.
        3. Le feu de la deuxième impulsion laser basée sur le réglage de l’heure dans les présentes. Une fois le deuxième feux de pouls, obturateur de la caméra se fermera encore une fois, en envoyant les deux images à la carte d’acquisition (ou mémoire de caméra embarquée PIV).
        4. Déterminer le délai entre la première impulsion qui déclenche l’acquisition de la première image de la paire de l’image et la première impulsion qui déclenche l’acquisition de la première image de la paire d’images ultérieures par l’armature de caméra PIV taux (voir 1.1.4.1).
      3. Définir le nombre de couples d’images à recueillir. Le nombre de couples d’images pour recueillir doit être sélectionné pour assurer la convergence statistique des propriétés d’écoulement, qui dépend du montage expérimental, mais est généralement de l’ordre de centaines à des milliers de couples d’images.
    5. Testez la configuration PIV.
      1. Réglé le laser sur le mode de déclenchement externe pour les deux têtes de laser et d’augmenter la puissance du laser. Complètement assombrir la pièce.
      2. Entreprendre la collecte de données en mode continu synchronisé pendant quelques secondes.
      3. Arrêter la collecte de données.
      4. Croix de corréler image paires collectées (voir 2.1.1).
        1. Si le pourcentage de bons vecteurs transmettant le rapport signal-bruit (rapport entre le plus haut sommet de corrélation croisée au second rang, traverser les pics de corrélation – voir 2.1.1) n’est pas dans la plage 90 % supérieure ou moyenne traceur déplacements au sein de windows d’interrogatoire sont pas environ 0,25 à 0,5 de la taille de fenêtre de l’interrogatoire, répéter et vérifier l’application correcte des procédures décrites dans la section 1.1 jusqu'à ce qu’il est atteint. Une fois que ces valeurs sont atteintes, arrêter l’installation (arrêt grille oscillation).
  2. Configurer le suivi des particules à grande vitesse 2D
    1. Positionner la lumière monochromatique de ligne LED.
      1. Choisissez le voyant de ligne tel qu’il éclaire la particule sous enquête (p. ex., les particules de sédiments) avec grand rétrodiffusée intensité (grande différence dans l’indice de réfraction de la particule en ce qui concerne le liquide). Il devrait également pouvoir s’allumer en permanence ou à un taux qui peut être synchronisé avec la caméra PT.
      2. Minimiser l’épaisseur de la lumière de la ligne pour correspondre idéalement à l’épaisseur de feuille légère PIV, mais ne pas faire plus de 10 fois plus épais que l’épaisseur de feuille légère PIV afin de réduire toute ambiguïté dû au mouvement de la particule hors-plan.
      3. Taille de la largeur de la lumière LED de ligne pour égaler ou englober la FOV PIV. Montez la LED perpendiculaire à la nappe de lumière générée par le laser afin qu’il n’y a pas de problèmes de blocage léger (p. ex., PIV nappe de lumière sur le côté) et la LED du bas. Voir la Figure 1.
      4. Aligner le voyant de ligne tel que l’épaisseur de feuille légère PIV est centrée dans l’épaisseur de lumière LED trait. Seulement ajuster le positionnement de la lumière afin de réaliser cet alignement. Mouvement de la nappe de lumière PIV exigera répétant les étapes dans la section 1.1.
    2. Positionner et effectuer un étalonnage préliminaire de la caméra PT à grande vitesse.
      1. Fixer un objectif de la caméra PT, allumez la caméra PT en mode libre/continu/Live et grossièrement se concentrer la caméra PT. Si nécessaire, ajuster le diaphragme de caméra PT afin de permettre suffisamment de lumière être reçue par le capteur d’image de la caméra PT ; ce paramètre de f-stop peut-être varier lors de l’utilisation de lumière blanche de la pièce par rapport à l’éclairage à base de LED. Sélection de la lentille et la distance entre la caméra et la ligne de LED lumière détermine la taille physique de l’image de la caméra de la PT. Idéalement, la caméra PT champ de vision sera plus petit que (ou semblable à) la taille de la surface illuminée par la LED.
      2. S’assurer que la caméra à grande vitesse est perpendiculaire à la lumière de la ligne et réglez grossièrement la hauteur afin que la région d’intérêt est dans le champ de vision de la caméra PT et comprenant la FOV PIV.
      3. Niveau de la caméra PT en ce qui concerne le fond de la facilité d’écoulement (ou par rapport au sol si on le désire d’avoir des vitesses verticales alignées avec accélération gravitationnelle). Il est d’une importance plus grande que la caméra PT être exactement perpendiculaire au plan illuminé par la ligne de lumière, donc cela doit être vérifiée soigneusement.
      4. Éteignez votre appareil PT, allumer la lumière de la ligne, placez une cible de calibrage alignée avec le centre de la lumière de la ligne, puis couper la ligne de lumière.
      5. Rallumez la caméra PT et affiner sa focalisation sur la cible de calibrage. Affiner la lentille et la distance jusqu'à la taille de l’image est suffisante pour observer la zone d’intérêt et d’inclure le FOV PIV.
      6. Choisir objectif et distance telle que la caméra à grande vitesse de PT FOV est plus grande que le FOV PIV. Cet arrangement est nécessaire afin de s’assurer que la caméra de la PIV et la caméra PT à grande vitesse ne pas physiquement bloquent mutuellement.
      7. Organiser les caméras PT et PIV verticalement (superposés) ou offset sur le côté de l’autre. Il peut être pratique d’aligner un coin de la grande vitesse PT FOV et PIV FOV. La résolution en pixels de la caméra PT déterminera la façon dont la région peut être résolue dans l’espace ; ainsi, il devrait être considéré. Le facteur de conversion entre unités physiques et des pixels détermine la distance physique parcourue par un pixel. Les particules doivent déplacer environ 3-10 pixels entre les images consécutives, et si ce déplacement est trop grande (ou petite) parce que le champ de vision est trop petite (ou trop gros) ou le nombre de pixels est trop grand (ou trop petit) puis particules ne peuvent pas déplacer un idéal nombre de pixels entre les images (voir aussi 1.2.3.2).
      8. Sélectionnez les particules pour enquête.
        1. Utiliser les particules d’intérêt beaucoup plus grand que le PIV ensemencement à traceurs afin de distinguer suffisamment entre les particules étudiées et les traceurs PIV. Nous ont réussi avec particules environ 5 fois plus grandes que les traceurs PIV et considérez ceci la limite inférieure, mais la limite peut compter sur les indices de réfraction des particules et des sources lumineuses. La particule étudiée devrait englober autour de 4-5 pixels dans la zone de l’image de la caméra à grande vitesse. Par conséquent, la taille des particules étudiées permet moins résolution pixel pour l’image à haute vitesse que les images PIV.
        2. Répétez les étapes 1.2.2.1-1.2.2.5 comme nécessaire pour atteindre cette étape.
      9. Acquérir une image de la cible de calibrage. Confirmer que la caméra PT est le niveau en veillant à ce que la hauteur sur une ligne de la cible de calibrage est conforme et que la position horizontale le long d’une colonne de la cible de calibrage est cohérente. Vérifiez également la taille des marqueurs d’étalonnage dans chacun des coins de l’image afin d’évaluer la quantité de distorsion de l’image, qui devrait être réduite au minimum (pas différer de plus de 1 pixel).
    3. Définissez les paramètres de la caméra à grande vitesse. Les paramètres de la caméra à grande vitesse se composent de la fréquence d’images de la caméra PT (dans ce cas aussi régler la durée d’exposition), la résolution de la caméra PT (plein cadre ou binning les pixels pour augmenter la cadence ou prolonger le délai d’acquisition) et le nombre d’images recueillies.
      1. Définir le nombre d’images à être collectées (c.-à-d. la longueur du temps d’acquisition). Le nombre d’images collectées influe sur le nombre de trajectoires de particules mesurées, plus le temps d’acquisition, les trajectoires de plus qui peuvent être mesurées.
      2. Définissez la fréquence d’images (et la durée d’exposition) et la résolution de la caméra PT à grande vitesse.
        1. Évitez de définir le taux d’acquisition des images à grande vitesse aux mêmes espèces ou multiple de la fréquence d’images PIV. Définissez la fréquence d’images basée sur la vitesse estimée des particules dans le flux. Les particules doivent déplacer plus de 1 ou 2 pixels afin d’éviter des cas de chevauchement des positions de la particule dans deux images consécutives ; Toutefois, un écart important (> 10 pixels) se traduira par moins de confiance dans l’identification de la même particule dans les images consécutives, ce qui donne la perte de trajectoire de particules (voir 2.2.4). Ajuster la PT caméra résolution et la cadence pour atteindre les déplacements de la particule dans cette gamme (3-10 pixels).
    4. Testez la configuration de la caméra à grande vitesse.
      1. Ligne de mise sous tension, la LED lumière et sinon assombrir la pièce.
      2. Exécutez l’installation (oscillant la grille de départ).
      3. Introduire les particules dans l’écoulement et capturer quelques images après que les particules apparaissent dans le champ de vision de la caméra à grande vitesse. Superposition d’images consécutives et déterminer si des particules en images consécutives peuvent être distinguées.
        1. Vérifier que l’introduction de particules au champ de vision de la caméra à grande vitesse se produit suffisamment loin du champ de vision que les effets d’ouverture sont négligeables, que la densité des particules est assez rare pour qu’il n’y a pas de fréquents cas de chevauchement des particules à l’intérieur du image haute vitesse FOV et ce mouvement de la particule est principalement dans le plan image afin que les particules sont traçables par l’oeil de la caméra histoire FOV/PT caméra image.
        2. Si ces résultats ne sont pas obtenus, puis répétez 1.2 jusqu'à ce qu’il est atteint. Une fois atteint, arrêter l’installation (arrêt grille oscillation).
  3. Combiné d’étalonnage Final
    1. Positionner la cible d’étalonnage dans les PIV et PT caméra FOVs et dans les feuilles de lumière LED tant PIV. La cible d’étalonnage doit être visible par le haut-débit PT caméra et appareil photo PIV. Vérifiez que les deux caméras sont en discussion. Si on n’est pas au point, puis étapes 1.1 et 1.2 doivent être répétées pour la caméra de la PIV et la caméra à grande vitesse, respectivement.
    2. Assurez-vous qu’au moins une marque unique existe sur la cible de calibrage qui est visible par la caméra à grande vitesse FOV et la caméra PIV FOV. Mesurer et indiquer la position de cette marque unique dans l’espace physique à des fins d’inscription spatiale entre les images.
    3. Calibrer la caméra à grande vitesse en capturant et en enregistrant une image de la cible de calibrage par la caméra PT à grande vitesse. Calibrer la caméra PIV de la même manière.
    4. Enlever la cible du calibrage du fluide.
  4. Collecte de données
    1. Exécutez l’installation (oscillent grille) jusqu'à ce qu’il atteigne l’état stationnaire (~ 20 min).
    2. Définir des conditions d’éclairage en assombrir la pièce et allumer la LED lumineuse. Ajouter des particules dans le liquide.
    3. Mode synchrone commencer acquisition d’images pour les deux systèmes lorsque les premières particules apparaissent dans la haut-débit PT caméra FOV (en mode direct).
    4. Télécharger les images à grande vitesse de la RAM pour la caméra PT à grande vitesse et enregistrer les images acquises par la caméra PIV.
    5. Arrêter l’installation (arrêter les oscillations de la grille).

2. analyse de l’image

Remarque : Il existe de nombreux logiciels disponibles pour effectuer l’analyse d’images de la PIV et PT – commerciaux et freeware. Pour l’analyse PIV, freeware codes sont OpenPIV (http://www.openpiv.net/) et MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). Les sociétés commerciales vendent également des logiciels d’analyse PIV. Pour l’analyse de PT, nombreux codes de suivi de particules existent en 3D et 2D comme Particule Tracker (https://omictools.com/particle-tracker-tool) ; une liste complète des différentes plates-formes logicielles peut être trouvée ici : https://omictools.com/particle-tracking-category ou http://tacaswell.github.io/tracking/html/. La plupart des ensembles d’analyse, par exemple, MATLAB, ont construit dans des outils qui rendent relativement facile à mettre en œuvre votre propre code de suivi. Pour les résultats présentés dans cette étudeOpenPIV, TSI Insightet MATLAB écriture personnalisée des codes de suivi ont été utilisés.

  1. Analyser les Images PIV
    1. Diviser chaque image en une grille de windows de l’interrogatoire (par exemple, 64 x 64 pixels2 avec 50 % de chevauchement) sur laquelle la vitesse de débit moyen à chaque fenêtre est calculée à partir de croix-corréler deux PIV images consécutives (c.-à-d., couple d’images PIV) discuté dans le setup PIV, section 1.1.4.2.
      Remarque : La distance entre la corrélation de pointe dans chaque fenêtre et le centre de la fenêtre définit le déplacement moyen de tracer dans cette fenêtre. Une fois calibré, ce déplacement divisé par le temps entre les images consécutives de PIV (couple d’images PIV - voir étape 1.1.4.2) fournit des estimations des deux composants dans le plan de la vitesse à chaque emplacement4. C’est collectivement comme une carte de vecteur de vitesse. La taille de la fenêtre de l’interrogatoire détermine la résolution du flux du champ produit par l’analyse de la PIV comme la moitié de cette distance est la vitesse calculée vector espacement. Cet espacement avec le pixel à facteur de conversion d’unité physique définit la résolution du champ Débit mesuré. En outre, pour obtenir des vecteurs erronées (voir 2.1.2) faibles effectifs, un nombre suffisant de traceurs doit être présent dans chaque fenêtre (traceurs d’au moins 8-10) et ils doivent déplacer pas plus que d’environ ¼ à ½ de la taille de la fenêtre.
    2. Filtrer les résultats de la corrélation croisée pour enlever les fausses résultats des cartes vecteur vitesse.
      1. Appliquer un filtre de signal-bruit (SNR). Exigeant un ratio de 1.5 et plus est généralement utilisé (ce nombre peut changer en fonction des conditions expérimentales spécifiques).
        1. Définir le SNR soit le rapport entre le premier et le deuxième plus haut sommet de corrélation dans la fenêtre de l’interrogatoire ou le rapport entre la corrélation première et moyenne au-dessus de la fenêtre d’interrogation spécifique. Optimiser le ratio SNR pour chaque série d’expériences. Le nombre de vecteurs omettant cette vérification SNR ne doit pas dépasser 10 %.
      2. Filtre restant erronés vecteurs (n’excédant ne pas 5 % entre les étapes 2.1.2.2 et 2.1.2.3) à l’aide d’un filtre global qui compare chaque vecteur de vitesse individuelle avec la moyenne de carte vélocité plus ou moins trois écarts-types de la vitesse de la carte et élimine vitesses en dehors de cette plage.
      3. Filtre restant erronés vecteurs (n’excédant ne pas 5 % entre les étapes 2.1.2.2 et 2.1.2.3) à l’aide d’un filtre local qui compare chaque vecteur de vitesse individuelle avec la vitesse médiane d’un quartier d’entourant la vélocité des vecteurs, typiquement 5 x 5 en taille.
        Remarque : Utilisation de la médiane et la détermination de la taille de quartier peut changer selon les conditions expérimentales spécifiques.
    3. Remplacer les vecteurs erronées trouvées à l’étape 2.1.2 avec vecteurs interpolées (ou la médiane de quartier) à l’aide d’informations provenant des vecteurs de quartier environnant, généralement de taille 5 x 5.
    4. Déterminer le ratio de conversion de distance-à-pixel. Examiner le nombre de pixels se traduire par une certaine distance à l’aide de la distance entre les marqueurs sur la cible d’étalonnage image nouvellement créée à l’étape 1.3.3.
    5. Calibrer les vecteurs. Convertir les vecteurs calculés en étapes 2.1.1-2.1.3 d’unités physiques utilisant ce facteur de conversion de l’étape 2.1.4 et le temps entre les paires d’image définie à l’étape 1.1.4.2 ; convertir les déplacements en pixels aux vitesses en unités physiques.
  2. Analyser les Images à haute vitesse
    1. Retirer tous les cadres de la série temporelle d’image à grande vitesse où le laser PIV a été illuminant le flux.
      1. Somme des valeurs d’intensité de chaque image acquise. Les cadres dans lesquels le laser PIV clignotait ont une intensité cumulée qui est beaucoup plus grande que celles sans le laser PIV actif dans l’image. Basée sur un seuil sur l’intensité cumulée, supprimer toutes les images de la série chronologique qui présentent une intensité cumulée supérieure au seuil. Voir section 1.2.3.2 orientation en minimisant la quantité d’images pour lesquelles cela se produit.
    2. Convertir des images en niveaux de gris restantes en images binaires en utilisant un seuil. Dans ce cas, nous utilisons la méthode d’Otsu pour déterminer le seuil qui convertit les particules en blanc et le fond noir.
    3. Effectuer une analyse blob pour chaque image.
      1. Identifier les régions de la connectivité dans l’image noir et blanc - ci-après en tant qu’objets. En général, une connectivité de 8 pixels est utilisée.
      2. Supprimer tous les objets qui sont beaucoup plus petites en superficie (c.-à-d., le nombre de pixels objet consomme dans l’image) que la taille de particule typique en pixels dans l’image, généralement autour de 3 pixels.
    4. Calculer les trajectoires de particules.
      1. Identifier le centre de gravité de tous les objets (autres) dans la première image.
      2. Pour chaque objet détecté, recherchez l’image suivante pour le même objet en effectuant une recherche dans une région près du centre de gravité dans l’image précédente. Si seulement une particule/objet dans la fenêtre de recherche est trouvé, puis poursuivre la trajectoire et noter l’emplacement du centroïde dans cette image ; Sinon, mettre fin à la trajectoire.
        Remarque : Trop grande d’une recherche de zone peut se traduire par une identification incorrecte de la particule dans l’image subséquente ainsi la zone de recherche devrait être comme limités autant que possible sans provoquer de biais dans les résultats. Si la position de l’objet dans le cadre ultérieur est souvent à la portée maximale de la fenêtre de recherche, le moteur de recherche n’est pas assez grand.
      3. Répétez l’étape 2.2.4.2 jusqu'à ce que l’objet n’est plus se trouve dans l’image ultérieur. Dans ce cas, la trajectoire est considéré comme résilié.
        Remarque : Si la majorité des particules titres sont toujours courte (par exemple, moins de 5 cadres), ensuite ce résultat pourrait indiquer qu’il y a mouvement tridimensionnel important et que cette méthode ne consiste pas. En règle générale, les traces de particules devraient être au moins ¼ de la particule suivi FOV14; mais la nécessité d’une longueur de piste particulière peut varier selon la demande.
      4. Répétez les étapes 2.2.4.1-2.2.4.3 à partir de la deuxième image pour tous les objets pas déjà suivis du cadre 1. Répétez ce processus pour tous les cadres de départ possibles. Le résultat sera une bibliothèque des trajectoires de particules dans l’ensemble de l’expérience.

3. analyse

  1. Calculer les vitesses des particules et des accélérations de trajectoires de position obtenues à partir des images à grande vitesse utilisés pour le PT.
    1. Différencier les trajectoires de particules n’ont respecté à 2,2 dans le temps (basé sur le jeu de taux de trame à l’étape 1.2.3.2) pour calculer les vitesses dans chaque direction. Cette différenciation des temps se traduit par des estimations du lagrangien vitesse des particules en pixels par unité de temps.
      Remarque : Cette étape ne doit être effectuée que si l’information de la vitesse des particules est souhaitée.
    2. Calibrer les vitesses en convertissant les vitesses de pixels par unité de temps à distance par unité de temps. Le facteur de conversion (distance par pixel) peut être obtenu en examinant la distance entre les marqueurs sur la cible d’étalonnage image nouvellement créée à l’étape 1.3.3.
  2. Effectuer la décomposition de Reynolds sur cartes vectorielles PIV pour calculer les quantités turbulentes.
    1. Calculer la moyenne d’ensemble sur tous les PIV vitesse vecteur cartes collectées à chaque emplacement dans les cartes de vecteur PIV obtenu à l’étape 2.1.
    2. Effectuer une décomposition de Reynolds en soustrayant ces valeurs moyennes calculées au point 3.2.1 des vitesses instantanées dans chaque carte afin d’obtenir la série des fluctuations de vitesse turbulente.
    3. Calcule les statistiques d’intérêt, par exemple, la vitesse turbulente moyenne quadratique (RMS). Sinon, on pourrait examiner des fluctuations turbulentes à des emplacements de particules exacte des trajectoires.

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Representative Results

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Un schéma de l’installation expérimentale est illustré à la Figure 1. La figure montre la disposition des feuilles de lumière (LED et laser), le chevauchement dans les FOVs et la position des FOVs par rapport à la grille oscillante et les parois du réservoir. Les turbulences et les particules sont mesurés en même temps, comme décrit dans la section protocole. La figure 2 montre les résultats d’exemple des mesures de vitesse instantanée et tourbillon ainsi que des trajectoires de particules d’échantillon. Les résultats de l’analyse PIV sont évaluées en fonction sur le RMS des fluctuations turbulentes de l’informatique. Pour cette installation de grille oscillante, l’ampleur de la moyenne spatiale de la fluctuation de vitesse de RMS sur le FOV PIV devrait augmenter avec la fréquence du réseau pour les deux vitesses composantes7,15. Si ce résultat n’est pas obtenu, puis l’installation de la grille, PIV setup ou analyse PIV contiennent des erreurs et doit être répété. Un exemple du profil vertical des fluctuations de vitesse RMS pour les fréquences de grille différent est fourni à la Figure 3, lorsqu’il est démontré que les fluctuations turbulentes RMS augmentent avec la fréquence du réseau.

Les trajectoires de particules sont évaluées en examinant la répartition des vitesses obtenues à partir des trajectoires de particules, comme illustré à la Figure 4. Ces distributions devraient être environ gaussiennes dans la distribution. Si ils ne le sont pas, alors il peut y avoir un problème avec l’acquisition des images à grande vitesse en fonction des conditions de débit spécifique, un problème avec l’analyse des images à grande vitesse, ou un nombre insuffisant de trajectoires de particules. Dans cette application particulière de la méthode, la validation des résultats trajectoire peut aussi être réalisée par comparaison aux courbes16 Dietrich pour l’eau stagnante. Les calculs de trajectoire en eau stagnante, en utilisant les mêmes procédures décrites ici car les particules devraient donner une vitesse de sédimentation qui est approximativement conforme à ces courbes empiriques, comme illustré à la Figure 5, où les résultats pour l’écoulement stagnant condition montrent un accord avec la Dietrich16 courbes. La figure 5 montre également que les particules ont tendance a augmenté des vitesses de sédimentation en turbulence discutΘ dans : Jacobs et al. 7.

Figure 1
Figure 1 : description schématique de l’installation expérimentale, qui se compose d’un réservoir de turbulence de grille, particle image velocimetry d’installation (à l’aide d’une caméra CCD (PIV) et laser) et 2D à grande vitesse d’imagerie particule suivi d’installation (à l’aide d’une caméra CMOS (PT) et a mené la lumière ). Dimensions sur le schéma sont fournies en centimètres. Ce chiffre a été modifié de celle utilisée dans Jacobs et al. 7 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : distribution des vitesses et trajectoires. (A) une distribution de vitesse instantanée du fluide exemple représentée par des vecteurs en pixels/s superposées sur instantané vorticité caractérisée par la couleur. Le vecteur d’échelle rouge dans le coin inférieur gauche représente 500 pixels/s. (B) un exemple de time-lapse (plus de 30 images de PT) trajectoires de particules dont le diamètre moyen 261 µm à 5 Hz oscillations de grille. Panneau B de cette figure a été modifié de celle utilisée dans Jacobs et al. 7 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : horizontalement en moyenne des profils verticaux de la RMS des fluctuations turbulentes verticales horizontal (a) et (b) pour toutes les fréquences de la grille (voir légende). Les vitesses turbulentes de RMS augmentent avec la fréquence du réseau. Valeurs efficaces sont basées sur 500 cartes vectorielles calculées dans tous les endroits et puis par la suite pour toutes les positions horizontales (50 points) à chaque position verticale pour obtenir les profils verticaux montrés. Ce chiffre a été modifié de celle utilisée dans Jacobs et al. 7 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : histogrammes des particules mesuré les vitesses horizontales et verticales dans l’eau stagnante et conditions turbulentes (voir sous-titres) (un, deux panneaux gauche) une particule de sable naturelle (forme irrégulière) avec 261 µm diamètre moyen et (B, droit deux panneaux) une particule synthétique sphérique avec un diamètre moyen de 71 µm. Les lignes dans les intrigues secondaires sont gaussiennes convient pour les histogrammes. Ce chiffre a été modifié de celle utilisée dans Jacobs et al. 7 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : régler les vitesses dans les conditions d’écoulement turbulent et stagnant par rapport à la taille des particules pour différents types de particules. Comme illustré dans la légende, les couleurs représentent des types différents de sédiments : particules synthétiques ou manufacturés, sable industriel plusieurs types (120, 100, 35) et le sable d’une plage locale à Myrtle Beach, SC-voir le tableau 1 en Jacobs et al. 7 pour plus de détails. Les symboles, y compris le cercle plein, indiquent les conditions d’écoulement représentant comme fréquence de grille dans la légende, lorsque stagnante se réfère à fréquence nulle. Augmente la fréquence du réseau, les fluctuations de vitesse turbulente RMS augmentent. Les courbes empiriques de Dietrich16 pour la vitesse de sédimentation de particules dans l’eau stagnante sont également indiqués pour plusieurs facteurs de forme différente. Ce chiffre a été modifié de celle utilisée dans Jacobs et al. 7 S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

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La méthode décrite ici est relativement peu coûteuse et fournit un moyen simple de mesurer simultanément les trajectoires de particules et de turbulence afin d’examiner l’influence du débit sur la cinématique de la particule. Il convient de mentionner que des flux ou des mouvements de particules qui sont fortement en trois dimensions ne sont pas bien adaptés à cette technique. Le mouvement hors-plan se traduira par des erreurs de17 en la 2D de suivi et l’analyse de la PIV et devrait être réduite au minimum. En outre, la méthode requiert la concentration des particules chenilles relativement faibles (de l’ordre des dizaines de particules par PT image). Cette restriction est importante afin de maximiser la confiance que la même particule est suivie en images consécutives. Si trop de particules existent simultanément dans le champ de vision de la caméra PT, puis des inexactitudes dans les calculs de la trajectoire et la résiliation anticipée des trajectoires peut survenir ainsi que des erreurs accrues dans l’analyse d’image PIV. Par conséquent, les problèmes liés à la floculation des particules serait difficiles pour cette technique étudier parce que les concentrations de grandes particules sont généralement nécessaires. Enfin, cette technique est plus adaptée pour le suivi de plus grosses particules (> 50 µm). Il doit y avoir une séparation suffisante entre les traceurs PIV (~ 10 µm) des particules qui sont suivis. On suggère un facteur d’au moins 5.

Les étapes plus critiques dans le protocole pour le suivi de particules sont les étapes d’étalonnage, sélection de la fréquence d’images, la concentration de particules dans les images et rapport signal sur bruit élevé dans les images à haute vitesse. L’analyse de blob nécessite une conversion de l’image de l’échelle de gris d’une image en noir et blanc sur lequel sont calculées les trajectoires de particules. Si le contraste dans les images à haute vitesse est telle que cette conversion est difficile, erreurs dans les trajectoires sont probables parce qu’il y a incertitude dans l’identification des particules. Déplacement de particules insuffisante, trop grande de déplacement entre les cadres, ou trop de particules peut conduire à des erreurs dans les trajectoires de particules et/ou de la résiliation anticipée des trajectoires de particules. Pour la PIV, l’étalonnage de la taille de l’image, le réglage de l’heure entre les paires d’images, une sélection adéquate des traceurs et détaillée l’alignement entre la caméra de la PIV et le laser sont les étapes les plus importantes pour assurer un bon résultat dans l’analyse de corrélation PIV , qui est la clé pour obtenir des statistiques précises sur les turbulences.

Ici, nous avons démontré les résultats de la technique en l’appliquant pour examiner la vitesse de sédimentation de divers types et tailles de particules et les sédiments dans des conditions turbulentes. Les résultats montrent une distribution gaussienne près de particule régler les vitesses (ainsi que les vitesses horizontales) dont la moyenne est considérée comme une vitesse de sédimentation typique pour cette particule dans des conditions différentes. Le RMS des fluctuations turbulentes vitesse montrent une augmentation avec une fréquence de grille comme prévu7,15 et sont sensiblement uniforme sur toute la hauteur verticale de FOV (mis à part un seul cas de turbulence faible - 2 Hz fréquence du réseau, voir Figure 3 ). Ensemble, ces résultats démontrent que la mesure simultanée des particules et des champ d’écoulement ont été réussies. Ils montrent également qu’il y a des vitesses sédimentation accrues avec l’augmentation des turbulences7, qui est conforme à la théorie de « accéléré » de comportement décantation de particules dans un écoulement turbulent,11.

L’utilisation de la méthode ci-après est un exemple d’aborder une question scientifique impliquant une interaction particules-turbulence ; la méthode peut être utilisée dans d’autres disciplines de recherche et les applications. En plus d’examiner les tendances dans un aspect particulier du comportement de la particule dans diverses conditions d’écoulement, il est également possible d’examiner les vitesses d’écoulement au cas particuliers dans le temps le long de la trajectoire d’une particule. L’intégration de l’information de vitesse de flux avec les données de trajectoire de particules dépend de la question étudiée et offre une richesse potentielle d’informations au sujet de la cinématique de la particule en flux pour une large gamme d’applications. En résumé, cette technique offre une solution à faible coût pour la mesure simultanée des trajectoires de particules et turbulence pertinente dans un certain nombre d’applications où l’écoulement du fluide interagit avec particules d’origine naturelles ou humaine.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Parties de ce document ont été pris en charge par la Fondation II-VI et le Coastal Carolina professionnel Enhancement Grant. Nous aimerions également remercier Corrine Jacobs, Marek Jendrassak et William Merchant pour aident avec le montage expérimental.

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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Mesure simultanée de la Turbulence et de la cinématique de particules qui utilise les Techniques d’imagerie de flux
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Cite this Article

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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