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Engineering

Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

doi: 10.3791/58036 Published: March 12, 2019

Summary

La tecnica descritta nel presente documento offre un metodo relativamente semplice e basso costo per misurare simultaneamente la cinematica delle particelle e turbolenza dei flussi con concentrazioni di particelle basso. La turbolenza è misurata usando particle image velocimetry (PIV) e cinematica delle particelle sono calcolati dalle immagini ottenute con una fotocamera ad alta velocità in un campo di vista sovrapposto.

Abstract

Numerosi problemi in campi scientifici e ingegneristici coinvolgono comprensione della cinematica delle particelle in flussi turbolenti, come contaminanti, micro-organismi marini, e/o sedimenti nell'oceano, o reattori a letto fluidizzato e processi di combustione sistemi ingegnerizzati. Al fine di studiare l'effetto della turbolenza sulla cinematica delle particelle in tali flussi, sono necessarie misure simultanee della cinematica delle particelle sia il flusso. Esistono tecniche di misurazione di flusso non-intrusivo, ottici per la misurazione di turbolenza, o per tenere traccia delle particelle, ma entrambi di misura contemporaneamente può essere difficile a causa dell'interferenza tra le tecniche. Il metodo presentato qui fornisce un metodo relativamente semplice e basso costo per rendere misure simultanee della cinematica della particella e di flusso. Una sezione trasversale del flusso è misurata usando una tecnica di particella image velocimetry (PIV), che fornisce due componenti della velocità sul piano di misurazione. Questa tecnica utilizza un laser pulsato per illuminazione del campo di flusso teste di serie che è ripreso da una fotocamera digitale. La cinematica delle particelle sono contemporaneamente Imaging utilizzando una luce che emettono diodi (LED) linea luce che illumina una sezione trasversale planare del flusso che si sovrappone con la PIV campo di vista (FOV). La luce di linea è di potere abbastanza basso che essa non pregiudica le misure PIV, ma abbastanza potente per illuminare le particelle più grandi di interesse Imaging utilizzando la macchina fotografica ad alta velocità. Immagini ad alta velocità che contengono gli impulsi laser dalla tecnica PIV sono facilmente filtrate esaminando il livello di intensità sommata di ogni immagine ad alta velocità. Rendendo la frequenza dei fotogrammi della telecamera ad alta velocità incommensurabile con quello della frequenza fotogrammi fotocamera PIV, il numero di fotogrammi contaminati nelle serie temporali ad alta velocità può essere minimizzato. La tecnica è adatta per flussi medi che sono prevalentemente bidimensionali, contengono particelle che sono almeno 5 volte il diametro medio di PIV semina traccianti e sono bassi nella concentrazione.

Introduction

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Esistono un gran numero di applicazioni in campi di ingegneria e scientifiche che coinvolgono il comportamento delle particelle in flussi turbolenti, ad esempio, aerosol l'atmosfera, contaminanti e/o sedimenti nei sistemi ingegnerizzati e marine micro-organismi o sedimento in oceano1,2,3. In tali applicazioni, è spesso di interesse per capire come le particelle rispondono alla turbolenza, che richiede la misura simultanea della cinematica delle particelle e la dinamica dei fluidi.

Le tecnologie esistenti per misurare movimenti delle particelle, chiamate particelle di rilevamento (PT), che tiene traccia delle singole particelle traiettorie e la tecnica statistica di particle image velocimetry4,5 (PIV), utilizzato per misurare il flusso velocità, entrambi incorporano tecniche ottiche non intrusiva. La sfida principale nell'utilizzo di queste tecniche ottiche non intrusiva per misurare il flusso e la particella cinematica contemporaneamente è l'illuminazione separata richiesta per ogni tecnica di imaging che non può interferire con dell'altro misurazione precisione ( ad esempio, la fonte di illuminazione per la misura della cinematica delle particelle non può agire come una fonte di rumore significativo nella misurazione della velocità del fluido e viceversa). Il contrasto dell'immagine in entrambi gli insiemi di immagini deve essere sufficiente per ottenere risultati affidabili. Ad esempio, le immagini di PT sono convertite in immagini in bianco e nero al fine di eseguire un'analisi di blob per determinare le posizioni delle particelle; così, contrasto insufficiente porta a errori nella posizione della particella. Scarso contrasto pari a PIV immagini un basso rapporto segnale-rumore che causerà imprecisioni nella stima della velocità del fluido.

Qui, un relativamente basso costo e semplice metodo per misurare simultaneamente entrambe le velocità cinematica e flusso di particelle è descritto. Attraverso l'uso di una luce monocromatica ad alta potenza che emettono linea diodo (LED) luce, dove la linea si riferisce alla luce e laser ad alta intensità doppia testina, entrambe le particelle di interesse e il campo di flusso sono Imaging contemporaneamente nella stessa regione. L'alto potere del LED è sufficiente per l'imaging delle particelle (cingolate) dalla telecamera ad alta velocità ma non impatto le immagini PIV poiché l'intensità della luce sparso da traccianti PIV è troppo basso. Quando il laser ad alta intensità doppia testina illumina il campo di flusso per le immagini PIV, si verifica in un intervallo di tempo breve e queste immagini sono facilmente identificate e rimossi dalla serie tempo ottenuti dalla telecamera ad alta velocità PT quando vengono registrati. PIV laser impulsi registrati nel tempo immagini ad alta velocità (usato per particella di rilevamento) serie possono essere minimizzati eseguendo non i due sistemi al frame rate di acquisizione che sono commisurati a vicenda. Nelle configurazioni più avanzate, uno potrebbe innescare esternamente le telecamere PT e PIV con un ritardo che garantirebbe che questo non accade. Infine, da un'attenta considerazione della quantità di particelle rilevate nel PIV campo visivo (FOV), eventuali errori introdotti da queste particelle rilevate in analisi di correlazione di immagini PIV già si tiene conto per la stima dell'errore complessivo, compresi gli errori associati con distribuzione non uniforme di traccianti PIV all'interno della finestra di interrogatorio. La stragrande maggioranza dei PIV semina traccianti stanno seguendo il flusso, producendo le stime di velocità di flusso preciso. Queste tecniche consentono la misura diretta simultanea di entrambi la cinematica e flusso campo particella in un piano bidimensionale.

Questa tecnica è illustrata applicandolo per determinare delle particelle stabilirsi caratteristiche in un flusso turbolento, simile a quello utilizzato negli studi di Yang e timido6 e Jacobs et al. 7. sedimentazione delle particelle è la fase finale nel trasporto di sedimenti, che in genere consiste di sospensione dei sedimenti, trasporto e sedimentazione. Nella maggior parte degli studi precedente che hanno affrontato delle particelle stabilirsi in flussi turbolenti, o traiettorie delle particelle o turbolenta velocità non sono misurate direttamente ma dedotta teoricamente o modellato8,9,10. Dettagli sulle interazioni tra particelle e turbolenza più spesso sono stati studiati utilizzando modelli teorici e numerici a causa delle limitazioni sperimentali in misura entrambi contemporaneamente6,11. Presentiamo uno studio finalizzato di interazione particella-turbolenza in una struttura di griglia oscillante, dove si studiano la velocità di sedimentazione delle particelle e loro accoppiamento con turbolenza. Per chiarezza, in seguito si farà riferimento alle particelle sotto inchiesta come "particelle" e le particelle semina utilizzate per la tecnica PIV come "traccianti"; Inoltre, si farà riferimento alla fotocamera utilizzata per l'imaging ad alta velocità delle traiettorie delle particelle come il "rilevamento delle particelle", "PT" o "alta velocità" fotocamera, che misura "immagini ad alta velocità" e la fotocamera utilizzata per il metodo PIV "fotocamera PIV", che misura "immagini". Il metodo qui descritto consente la misura simultanea di particelle cinematica e dinamica dei fluidi sopra un campo pre-definito di interesse all'interno della struttura. I dati ottenuti forniscono una descrizione bidimensionale dell'interazione particella-turbolenza.

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Protocol

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Nota: Tutto il personale devono essere addestrato nell'uso sicuro e operazione di laser di classe IV anche come l'uso sicuro e funzionamento della mano ed attrezzi a motore.

1. sperimentale

  1. Installazione di PIV
    1. Impostare la doppia testina laser e ottica.
      1. Posizionare il laser su una piastra di ottica. Livellare il laser rispetto alla parte inferiore della struttura (o rispetto a terra se si desidera avere velocità verticale allineata con accelerazione gravitazionale) e allineare verticalmente il raggio laser con il centro del piano 2D essere imaged.
      2. Posizionare la lente cilindrica nel percorso del fascio laser, fissandola al piatto ottico. La lente si forma il fascio in un piano 2D. La dimensione del piano 2D imaged dipenderà la lunghezza focale della lente e la distanza dalla regione per essere studiato. Regolare la lente e la distanza fino a quando la regione illuminata è sufficientemente grande per l'applicazione specifica.
      3. Posto una lente sferica sul piatto ottico tra la lente cilindrica e l'aereo di immagine 2D. La distanza tra le lenti sferiche e cilindriche e la lunghezza focale della lente sferica determinerà lo spessore del piano 2D illuminata (luce foglio). Regolare la distanza e la lunghezza focale della lente fino a quando il foglio di luce è di circa 0,5-1 mm di spessore.
    2. Posizione e realizzare la calibratura preliminare della fotocamera PIV.
      1. Montare una lente sulla fotocamera PIV, accensione la fotocamera PIV in modalità gratuita e continuo e grossolanamente mettere a fuoco la fotocamera PIV. Regolare il diaframma della macchina fotografica PIV per permettere alla luce sufficiente essere ricevuti dal sensore di immagine; Questa impostazione di f-stop può variare quando si utilizza la luce bianca della camera contro l'illuminazione basati sul laser.
        1. Regolare la lente e la distanza fino a quando la dimensione dell'immagine è sufficiente osservare la regione di interesse. Selezione della lente e la distanza tra la fotocamera PIV e il foglio di luce determina la dimensione fisica dell'immagine della telecamera PIV. Idealmente, la dimensione dell'immagine deve essere più piccolo (o simile) la dimensione dell'installazione foglio leggero in 1.1.1.
      2. Assicurare la fotocamera PIV è perpendicolare alla stessa luce e grossolanamente regolare l'altezza tale che la regione di interesse (definita dai limiti foglio leggero – Vedi punto 1.1.1) è all'interno campo di vista della fotocamera PIV (FOV).
      3. Livello della fotocamera PIV rispetto alla parte inferiore della struttura di flusso (o rispetto a terra se si desidera avere velocità verticale allineata con accelerazione gravitazionale). È della massima importanza che la fotocamera PIV essere esattamente perpendicolare al foglio di luce, quindi questo dovrebbe essere controllato accuratamente.
      4. Si spegne la fotocamera PIV e accendere il laser. Posizionare un bersaglio di calibrazione e allinearla con il centro del foglio di luce, quindi spegnere il laser.
        Nota: Il bersaglio di calibrazione è un piatto bidimensionale (comunemente in metallo per scopi di rigidità), contenente più indicatori (ad es., punti o croci) allineati in una formazione di griglia regolarmente spaziati. La piastra di solito è verniciata in nera con pennarelli bianchi. La distanza nota tra i marcatori consente la stima di un fattore di conversione tra le unità fisiche e pixel.
      5. Accendere la fotocamera PIV e perfezionare la messa a fuoco della fotocamera PIV il bersaglio di calibrazione. La risoluzione in pixel della fotocamera PIV determinerà quanto bene la regione possa essere risolti nello spazio; così, dovrebbe essere considerato (Vedi punti 2.1.1 e 2.1.4 per dettagli su queste considerazioni).
      6. Catturare un'immagine. Confermare che la fotocamera PIV è livello facendo in modo che l'altezza in una riga del target di calibrazione è coerenza, nonché che la posizione orizzontale lungo una colonna di bersaglio di calibrazione è coerenza. Verificare la dimensione di markers di calibrazione in ogni angolo dell'immagine (in pixel) al fine di valutare la quantità di distorsione dell'immagine, che deve essere ridotto al minimo. La differenza di dimensioni dei marcatori di calibrazione a ciascuno dei quattro angoli idealmente dovrebbe essere pari a zero; ma non deve differire di più di 1 pixel.
    3. Aggiungere elementi traccianti PIV al flusso.
      1. Selezionare adatti traccianti che sono galleggiamento neutro (densità simile come il fluido), chimicamente inerte, di adeguate dimensioni e forma (sferica e abbastanza piccolo per seguire il flusso) e hanno un alto indice di rifrazione rispetto il fluido12,13 .
        Nota: Nel caso presentato di studio dove il fluido è acqua, abbiamo usato sfere di vetro cavo con un diametro medio di 10 μm e densità di 1,1 g/cc.
      2. Introdurre i traccianti PIV nel flusso ed eseguire l'impianto (oscillare la griglia) fino a quando non sono ben mescolati. In modo incrementale i traccianti di introdurre e valutare la qualità dell'immagine e il livello di densità dei rivelatori all'interno di esso.
        Nota: Una grande separazione tra intensità livello tracciante grigio e l'intensità di sfondo è ottima.
        1. Valutare di accendere il laser e la raccolta di immagini in modalità gratuita/continua. Concentrazione dei traccianti dell'immagine dovrebbe essere densa ma non macchiato4,14. Considerare la dimensione della finestra desiderata correlazione in selezione livello di concentrazione, come è suggerito per avere intorno a 8-10 paia di particella chiara nella PIV immagine coppie per l' analisi di correlazione incrociata4 (Vedi punto 2.1.1).
    4. Impostare i parametri PIV. I parametri PIV sono costituiti il frame rate di fotocamera PIV (che è lo stesso come il tasso di ripetizione di doppio impulso laser), la tempistica tra coppie di immagini (cioè, intervallo tra gli impulsi consecutivi (doppio) laser) e il numero di coppie di immagini per raccogliere. Raffinatezza di queste impostazioni può essere necessaria dopo la revisione dei risultati dal passaggio 1.1.5.
      1. Impostare gli intervalli di tempo della telecamera PIV e laser (fotogrammi). Questi determinare la risoluzione di tempo delle mappe campionati velocità vettoriale e dovrebbe essere come alto possibile (limitazione di PIV fotocamera, laser o spazio su disco) fino a metà la più piccola scala di tempo del flusso.
      2. Impostare l'intervallo tra due immagini consecutive PIV (vale a dire, una coppia di immagini PIV).
        1. Impostare l'intervallo tra due immagini consecutive PIV sulla base della velocità di flusso media nella struttura e le dimensioni delle finestre interrogatorio (Vedi 2.1.1). Hanno i traccianti spostare circa 1/4-1/2 dell'interrogatorio la dimensione della finestra nel tempo trascorso tra due immagini consecutive. Il tempo tra due immagini consecutive anche imposta il tempo tra gli impulsi due laser.
        2. Pre-definire il primo impulso per sparare poco tempo dopo ha aperto l'otturatore della fotocamera PIV. Se si utilizza una fotocamera PIV cross-correlazione, la fotocamera PIV memorizza l'immagine nella sua memoria buffer e riapre nuovamente il pulsante di scatto.
        3. Fuoco il secondo impulso laser basato sull'installazione di tempo qui. Una volta i secondo impulso incendi, l'otturatore della fotocamera si richiuda, l'invio di entrambe le immagini al dispositivo di acquisizione (o memoria di fotocamera integrata PIV).
        4. Determinare il tempo tra il primo impulso che innesca l'acquisizione della prima immagine della coppia immagine e il primo impulso che attiva l'acquisizione della prima immagine della coppia successiva immagine dal frame fotocamera PIV tasso (Vedi 1.1.4.1).
      3. Impostare il numero di coppie di immagini per raccogliere. Il numero di coppie di immagini per raccogliere deve essere selezionato per assicurare la convergenza delle proprietà del flusso di statistica, che dipende dall'impostazione sperimentale ma è tipicamente nella gamma di centinaia di migliaia di coppie di immagini.
    5. Testare la configurazione PIV.
      1. Impostare il laser alla modalità di trigger esterno per entrambe le teste laser e aumentare la potenza del laser. Oscurare completamente la camera.
      2. Avviare la raccolta dei dati in modalità sincronizzata continua per un paio di secondi.
      3. Interrompere la raccolta dei dati.
      4. Croce immagine correlare coppie raccolti (Vedi 2.1.1).
        1. Se la percentuale di vettori buone passando il rapporto segnale-rumore (rapporto tra la vetta più alta correlazione trasversale al secondo più alto picco di correlazione di cross – vedere 2.1.1) non è nella gamma 90% superiore o medio tracciante spostamenti all'interno di windows di interrogatorio sono non approssimativamente 0.25-0.5 delle dimensioni della finestra di interrogatorio, ripetere e verificare la corretta attuazione della procedura descritta nella sezione 1.1 fino a quando non si è realizzato. Una volta che questi valori sono raggiunti, fermare l'impianto (fermata griglia oscillazione).
  2. Tracciamento 2D delle particelle ad alta velocità di installazione
    1. Posizionare la luce di linea LED monocromatica.
      1. Scegliere il LED linea tale che essa illumina la particella sotto inchiesta (per esempio, particelle di sedimento) con grande retrodiffusa intensità (grande differenza di indice di rifrazione della particella per quanto riguarda il fluido). Dovrebbe anche essere in grado di illuminare continuamente o ad un tasso che può essere sincronizzato con la fotocamera di PT.
      2. Ridurre al minimo lo spessore della luce linea idealmente corrispondere lo spessore del foglio leggero PIV, ma non deve essere più di 10 volte più spessa rispetto allo spessore del foglio leggero PIV al fine di ridurre le ambiguità a causa del moto delle particelle fuori del piano.
      3. Misura la larghezza della luce LED linea per abbinare o comprendere il FOV PIV. Montare il LED perpendicolare al foglio di luce generato dal laser in modo che non ci sono problemi di blocco luce (ad es., PIV foglio leggero dal lato) e il LED nella parte inferiore. Vedere la Figura 1.
      4. Allineare la linea luce LED in modo tale che lo spessore del foglio leggero PIV è centrato all'interno lo spessore luce LED. Solo di regolare il posizionamento della luce a LED per ottenere questo allineamento. Movimento del foglio luce PIV richiederà ripetendo i passaggi nella sezione 1.1.
    2. Posizione e realizzare la calibratura preliminare della fotocamera PT ad alta velocità.
      1. Montare una lente sulla fotocamera di PT, accendere la fotocamera PT in modalità gratuita/continuo/Live e grossolanamente mettere a fuoco la fotocamera di PT. Se necessario, regolare il diaframma della macchina fotografica di PT per permettere alla luce sufficiente essere ricevuti dal sensore di immagine della fotocamera PT; Questa impostazione di f-stop può variare quando si utilizza la luce bianca della camera contro l'illuminazione basati su LED. Selezione della lente e la distanza tra la fotocamera e la linea di LED luce determina la dimensione fisica dell'immagine della telecamera di PT. Idealmente, la fotocamera di PT FOV sarà minore (o simile) la dimensione della superficie illuminata dal LED.
      2. Assicurare che la fotocamera ad alta velocità è perpendicolare alla linea luce e grossolanamente regolare l'altezza in modo che la regione di interesse è all'interno FOV della fotocamera PT e comprensivi di PIV FOV.
      3. Livello PT fotocamera rispetto alla parte inferiore della struttura di flusso (o rispetto a terra se si desidera avere velocità verticale allineata con accelerazione gravitazionale). È della massima importanza che la fotocamera di PT essere esattamente perpendicolare al piano illuminato dalla linea leggera, quindi questo dovrebbe essere controllato accuratamente.
      4. Si spegne la fotocamera PT, accendere la luce di linea e posto un bersaglio di calibrazione allineato con il centro della linea luce, quindi disattivare la linea luce.
      5. Accendere la fotocamera di PT e affinare la sua attenzione per il target di calibrazione. Perfezionare ulteriormente la lente e la distanza fino a quando la dimensione dell'immagine è sufficiente osservare la regione di interesse ed essere comprensivi di PIV FOV.
      6. Scegliere la lente e la distanza tale che la telecamera ad alta velocità di PT FOV è più grande il FOV PIV. Questa disposizione è necessaria al fine di assicurare che la fotocamera PIV e la telecamera ad alta velocità di PT non bloccare fisicamente tra di loro.
      7. Disporre le telecamere PT e PIV verticalmente (impilati) o offset al lato di a vicenda. Può essere conveniente allineare un angolo del PT FOV e PIV FOV ad alta velocità. La risoluzione in pixel della fotocamera PT determinerà quanto bene la regione possa essere risolti nello spazio; così, dovrebbe essere considerato. Il fattore di conversione tra le unità fisiche e pixel determina la distanza fisica coperta di un pixel. Le particelle devono spostare circa 3-10 pixel tra due immagini consecutive, e se questo spostamento è troppo grande (o piccolo) perché il FOV è troppo piccolo (o troppo grande) o il numero di pixel è troppo grande (o troppo piccolo) quindi particelle non possono spostare un ideale numero di pixel tra immagini (Vedi anche 1.2.3.2).
      8. Selezionare le particelle per le indagini.
        1. Utilizzare particelle di interesse molto più grande la PIV semina traccianti per distinguere sufficientemente le particelle oggetto dell'inchiesta e i rivelatori di PIV. Ci sono riusciti con particelle circa 5 volte più grandi dei traccianti PIV e considerare questo limite inferiore, ma il limite può dipendere gli indici di rifrazione della particella e fonti di luce. La particella indagata dovrebbe comprendere intorno 4-5 pixel nell'area nell'immagine della telecamera ad alta velocità. Pertanto, la dimensione delle particelle indagate può consentire per meno pixel di risoluzione per l'immagine ad alta velocità rispetto alle immagini PIV.
        2. Ripetere i passaggi 1.2.2.1-1.2.2.5 per realizzare questo passaggio.
      9. Acquisire un'immagine del bersaglio di calibrazione. Confermare che la fotocamera PT è livello facendo in modo che l'altezza in una riga del target di calibrazione è coerenza e che la posizione orizzontale lungo una colonna di bersaglio di calibrazione è coerenza. Anche controllare la dimensione dei marcatori di calibrazione in ogni angolo dell'immagine al fine di valutare la quantità di distorsione dell'immagine, che deve essere ridotto al minimo (non differiscono di più di 1 pixel).
    3. Impostare i parametri della telecamera ad alta velocità. I parametri della telecamera ad alta velocità sono costituiti dalla frequenza fotogrammi della telecamera PT (in questo caso anche l'impostazione del tempo di esposizione), la risoluzione della fotocamera di PT (full frame o binning i pixel per aumentare la frequenza dei fotogrammi o prolungare il tempo di acquisizione) e il numero di immagini raccolti.
      1. Impostare il numero di immagini per essere raccolti (cioè, la lunghezza del tempo di acquisizione). Il numero di immagini raccolte influenza il numero di traiettorie delle particelle misurate — più il tempo di acquisizione, le traiettorie più che possono essere misurate.
      2. Impostare il frame rate (e il tempo di esposizione) e la risoluzione della macchina fotografica ad alta velocità PT.
        1. Evitare di impostare la velocità di acquisizione di immagini ad alta velocità per lo stesso o multipli della frequenza fotogrammi PIV. Impostare la frequenza di fotogrammi sulla base della velocità stimata delle particelle nel flusso. Le particelle dovrebbero spostare più di 1 o 2 pixel al fine di evitare i casi di sovrapposizione di posizioni delle particelle in due immagini consecutive; Tuttavia, un grande spacco (> 10 pixel) si tradurrà in meno fiducia nell'identificare la stessa particella in immagini consecutive, dando perdita di traiettoria della particella (Vedi 2.2.4). Regolare il PT fotocamera risoluzione e frame rate per ottenere gli spostamenti delle particelle in questa fascia (3-10 pixel).
    4. Verificare l'installazione di telecamere ad alta velocità.
      1. Linea di accensione il LED luce e altrimenti oscurare la stanza.
      2. Eseguire l'impianto (inizio oscillante della griglia).
      3. Introdurre le particelle nel flusso e catturare alcuni fotogrammi dopo le particelle vengono visualizzati in FOV della fotocamera ad alta velocità. Sovrapposizione di fotogrammi consecutivi e valutare se le particelle in fotogrammi consecutivi possono essere distinti.
        1. Verificare che l'introduzione di particelle ad FOV alta velocità della fotocamera avvenga sufficientemente lontano il FOV che effetti di entrata sono trascurabili, che la densità delle particelle è abbastanza scarsa che non ci sono frequenti casi di sovrapposizione di particelle all'interno del immagine ad alta velocità FOV, e che il moto delle particelle è principalmente nel piano imaged affinché le particelle sono rintracciabili dall'occhio nella fotocamera FOV/PT storia di immagine della fotocamera.
        2. Se non si ottengono questi risultati, quindi ripetere 1.2 fino a quando non si è realizzato. Una volta raggiunto, fermare l'impianto (fermata griglia oscillazione).
  3. Calibrazione finale combinato
    1. Posizionare il bersaglio di calibrazione fotocamera sia PIV e PT FOVs e all'interno dei fogli di luce LED e PIV. Il bersaglio di calibrazione dovrebbe essere visualizzabile da alta velocità PT telecamera e macchina fotografica PIV. Verificare che entrambe le fotocamere sono a fuoco. Se uno non è a fuoco, è necessario essere ripetuta per la PIV fotocamera e telecamera ad alta velocità, rispettivamente punti 1.1 e 1.2.
    2. Assicurarsi che almeno un contrassegno unico esista sul bersaglio di calibrazione che è visualizzabile da sia la macchina fotografica ad alta velocità FOV e la fotocamera PIV FOV. Misurare e indicare la posizione di questo marchio unico nello spazio fisico per scopi di registrazione spaziale tra le immagini.
    3. Calibrare la telecamera ad alta velocità da catturare e salvare una immagine del bersaglio di calibrazione dalla telecamera PT ad alta velocità. Calibrare la telecamera PIV allo stesso modo.
    4. Rimuovere il bersaglio di calibrazione dal liquido.
  4. Raccolta dei dati
    1. Eseguire l'impianto (oscillano griglia) fino a portarla allo stato stazionario (~ 20 min).
    2. Impostare le condizioni di illuminazione oscuramento camera e accendere il LED luce. Aggiungere particelle nel liquido.
    3. In modo sincrono Avvia acquisizione immagine per entrambi i sistemi quando le particelle prime appaiono nella fotocamera ad alta velocità PT FOV (in modalità "live").
    4. Scaricare le immagini ad alta velocità di RAM per la fotocamera ad alta velocità di PT e salvare le immagini acquisite dalla telecamera PIV.
    5. Fermare l'impianto (fermata le oscillazioni di griglia).

2. analisi dell'immagine

Nota: Ci sono numerosi pacchetti software disponibili per eseguire l'analisi di immagine sia la PIV e PT – sia freeware che commerciali. Per l'analisi PIV, freeware codici sono OpenPIV (http://www.openpiv.net/) e MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). Società commerciali vendono anche software di analisi PIV. Per analisi PT, numerosi codici di monitoraggio delle particelle presenti in 3D e 2D come Particella Tracker (https://omictools.com/particle-tracker-tool); un elenco completo delle varie piattaforme software può essere trovato qui: https://omictools.com/particle-tracking-category o http://tacaswell.github.io/tracking/html/. Maggior parte dei pacchetti di analisi, ad esempio, MATLAB, hanno costruito in strumenti che rendono relativamente facile da implementare il proprio codice di monitoraggio. Per i risultati presentati in questo studioOpenPIV, TSI Insighte MATLAB custom-scritti codici di tracciabilità sono stati usati.

  1. Analizzare le immagini PIV
    1. Dividere ogni immagine in una griglia di windows interrogatorio (ad es., 64 x 64 pixel2 con sovrapposizione del 50%) oltre che la velocità di flusso media ad ogni finestra viene calcolata da cross-correlazione due PIV immagini consecutive (cioè, coppia di immagini PIV) come discusso nel setup PIV, sezione 1.1.4.2.
      Nota: La distanza tra la correlazione di picco in ogni finestra e il centro della finestra definisce lo spostamento medio dell'elemento tracciante in quella finestra. Una volta calibrato, questa cilindrata divisa per il tempo tra due immagini consecutive PIV (coppia di immagini PIV - Vedi punto 1.1.4.2) produce stime dei due componenti nel piano della velocità a ogni posizione4. Esso è collettivamente come una mappa vettoriale di velocità. La dimensione della finestra di interrogatorio determina la risoluzione del campo di flusso prodotto dall'analisi PIV come metà di questa distanza è la velocità calcolata spaziatura di vettore. Questa spaziatura insieme ai pixel da fattore di conversione di unità fisica imposta la risoluzione del campo di portata misurati. Inoltre, per ottenere il basso numero di vettori erronee (Vedi 2.1.2), un numero sufficiente di rivelatori dovrà essere presente in ogni finestra (almeno 8-10 elementi traccianti) e non si deve spostare più di circa ¼ a ½ delle dimensioni della finestra.
    2. Filtrare i risultati di cross-correlazione rimuovere falsi risultati dalle mappe velocità vettoriale.
      1. Applicare un filtro di segnale-rumore (SNR). Che richiedono un rapporto di 1.5 e superiori viene in genere utilizzato (questo numero può variare sulla base delle specifiche condizioni sperimentali).
        1. Impostare il SNR di essere sia il rapporto tra la prima e la seconda vetta più alta correlazione nella finestra interrogatorio o il rapporto tra la correlazione prima e media sopra la finestra di interrogatorio specifico. Ottimizzare il rapporto SNR per ogni set di esperimenti. Il numero di vettori in mancanza di questo controllo SNR non deve superare il 10%.
      2. Filtro rimanente erronee vettori (non superiore al 5% tra i passaggi 2.1.2.2 e 2.1.2.3) utilizzando un filtro globale che confronta ogni vettore di velocità individuale con la media di mappa di velocità più o meno tre deviazioni standard delle velocità mappa ed Elimina velocità fuori di questo intervallo.
      3. Filtro rimanente vettori (non superiore al 5% tra i passaggi 2.1.2.2 e 2.1.2.3) utilizzando un filtro locale che mette a confronto ogni vettore di velocità individuale con la velocità mediana di un quartiere circostante velocità vettori, in genere 5 x 5 dimensioni errate.
        Nota: Utilizzo di mediana e determinazione delle dimensioni del quartiere potrebbe cambiare a seconda delle specifiche condizioni sperimentali.
    3. Sostituire vettori erronee trovati nel passaggio 2.1.2 con vettori interpolati (oppure la mediana di quartiere) utilizzando informazioni dai vettori di quartiere circostante, tipicamente di dimensioni 5 x 5.
    4. Determinare il rapporto di conversione di distanza-per-pixel. Esaminare quanti pixel tradurre a una distanza specifica utilizzando la distanza tra i due segni sul bersaglio di calibrazione ripreso al punto 1.3.3.
    5. Calibrare i vettori. Convertire i vettori computati in passi 2.1.1-2.1.3 a unità fisiche utilizzando questo fattore di conversione da passo 2.1.4 e il tempo tra coppie di immagini impostato al punto 1.1.4.2; conversione degli spostamenti in pixel per le velocità in unità fisiche.
  2. Analizzare le immagini ad alta velocità
    1. Rimuovere qualsiasi frame appartenente alla serie di tempo di immagini ad alta velocità in cui il laser PIV è stato illuminante il flusso.
      1. Sommare i valori di intensità di ogni fotogramma acquisito. I telai in cui il laser PIV era lampeggiante hanno un'intensità sommata che è molto più grande rispetto a quelli senza il laser PIV attivo nell'immagine. Basato su una soglia sull'intensità sommati, rimuovere tutte le immagini da serie temporali che hanno una somma intensità superiore alla soglia. Vedere sezione 1.2.3.2 orientativa a minimizzare la quantità di fotogrammi per cui questo si verifica.
    2. Convertire immagini in scala di grigi rimanenti in immagini binarie utilizzando una soglia. In questo caso, utilizziamo il metodo di Otsu per determinare la soglia che converte le particelle in bianco e lo sfondo nero.
    3. Eseguire analisi blob per ciascuna immagine.
      1. Identificare le aree di connettività nell'immagine bianco e nero - in appresso come oggetti. In genere, viene utilizzata una connettività di 8 pixel.
      2. Rimuovere tutti gli oggetti che sono molto più piccoli nell'area (cioè, il numero di pixel oggetto consuma nell'immagine) rispetto alla dimensione delle particelle tipiche in pixel dell'immagine, in genere intorno a 3 pixel.
    4. Calcolare le traiettorie delle particelle.
      1. Individuare il baricentro di tutti gli oggetti (rimanenti) nella prima immagine.
      2. Per ogni oggetto rilevato, Cerca l'immagine successiva per lo stesso oggetto di ricerca in una regione vicino al baricentro nell'immagine precedente. Se solo un oggetto/particella all'interno della finestra di ricerca viene trovato, quindi continuare la traiettoria e registrare la posizione del centroide in quell'immagine; in caso contrario, terminare la traiettoria.
        Nota: Troppo grande di una ricerca zona può provocare errata identificazione della particella nell'immagine successiva, quindi l'area di ricerca dovrebbe essere come vincolati per quanto possibile senza causare pregiudizio nei risultati. Se la posizione dell'oggetto nel fotogramma successivo è frequentemente al massimo range della finestra di ricerca, la finestra di ricerca non è abbastanza grande.
      3. Ripetere il passaggio 2.2.4.2 fino a quando non è più possibile trovare l'oggetto nell'immagine successiva. In questo caso, la traiettoria è considerata terminato.
        Nota: Se la maggior parte delle particelle tracce sono costantemente breve (ad esempio, meno di 5 fotogrammi), quindi questo risultato potrebbe indicare che c'è movimento tridimensionale significativo e che questo metodo non è adatto. Come regola generale, tracce delle particelle dovrebbero essere almeno ¼ della particella rilevamento FOV14; ma necessità di brano particolare lunghezze può variare con l'applicazione.
      4. Ripetere i passaggi 2.2.4.1-2.2.4.3 a partire con il secondo fotogramma per eventuali oggetti non già rilevato dal fotogramma 1. Ripetere questo processo per tutti i frame di partenza possibili. Il risultato sarà una biblioteca delle traiettorie delle particelle in tutto l'esperimento.

3. analisi

  1. Calcolare le velocità delle particelle e accelerazioni da traiettorie di posizione ottenute da immagini ad alta velocità utilizzate per il PT.
    1. Differenziare le traiettorie delle particelle rispetto a 2,2 in tempo (basato sul set di frame rate nel passaggio 1.2.3.2) per calcolare le velocità in ogni direzione. Questa differenziazione di tempo risultati nelle stime della Lagrangiana velocità delle particelle in pixel per unità di tempo.
      Nota: Questo passaggio deve essere eseguito se non si desidera informazioni di velocità delle particelle.
    2. Calibrare le velocità convertendo le velocità da pixel per unità di tempo a distanza per unità di tempo. Il fattore di conversione (distanza per pixel) possono essere ottenuto esaminando la distanza tra i due segni sul bersaglio di calibrazione ripreso al punto 1.3.3.
  2. Eseguire decomposizione Reynolds su PIV vector maps per calcolare la quantità turbolento.
    1. Calcolare la media di ensemble sopra tutte le mappe vettoriali di velocità PIV raccolte in ogni posizione in PIV vettoriale mappe ottenute dal punto 2.1.
    2. Eseguire una decomposizione di Reynolds sottraendo questi valori medi calcolati in 3.2.1 da velocità istantanee in ogni mappa per ottenere la serie temporale delle fluttuazioni di velocità turbolento.
    3. Calcolare le statistiche di interesse, ad esempio, velocità turbolento root-mean-square (RMS). In alternativa, si potrebbero esaminare le fluttuazioni turbolente in posizioni esatte delle particelle all'interno le traiettorie.

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Representative Results

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Un disegno schematico dell'apparato sperimentale è illustrato nella Figura 1. La figura mostra la disposizione dei fogli di luce (LED e laser), la sovrapposizione nella FOVs e la posizione della FOVs rispetto alla griglia oscillante e le pareti del serbatoio. La turbolenza e le particelle sono misurate simultaneamente, come descritto nella sezione protocollo. La figura 2 Mostra i risultati di esempio delle misurazioni della velocità istantanea e vorticità insieme con traiettorie delle particelle del campione. Vengono valutati i risultati dell'analisi PIV basate su computing RMS delle fluttuazioni turbolente. Per questa struttura di griglia oscillante, la grandezza del mezzo spaziale la fluttuazione di velocità RMS sopra il FOV PIV dovrebbe aumentare con frequenza di griglia per entrambi velocità componenti7,15. Se non si ottiene questo risultato, quindi la struttura di griglia, installazione di PIV o PIV analisi contengono errori e deve essere ripetuto. Un esempio del profilo verticale delle fluttuazioni di velocità RMS per le frequenze differenti griglia è fornito nella Figura 3, dove si è dimostrato che le fluttuazioni turbolente RMS aumentano con frequenza di rete.

Le traiettorie delle particelle vengono valutate esaminando la distribuzione delle velocità ottenuti dalle traiettorie delle particelle, come indicato nella Figura 4. Queste distribuzioni dovrebbero essere approssimativamente gaussiane nella distribuzione. Se non lo sono, allora ci può essere un problema con l'acquisizione delle immagini ad alta velocità a seconda delle condizioni di flusso specifico, un problema con l'analisi delle immagini ad alta velocità, o un numero insufficiente di traiettorie delle particelle. In questa particolare applicazione del metodo, la convalida dei risultati traiettoria può essere ottenuta anche in confronto alle curve16 Dietrich per acqua stagnante. I calcoli di traiettoria in acque ferme, utilizzando le stesse procedure descritte qui per le particelle dovrebbero produrre una velocità di sedimentazione circa coerente con queste curve empiriche, come illustrato nella Figura 5, dove i risultati per il flusso stagnante condizione di mostrare accordo con la Dietrich16 curve. Figura 5 dimostra inoltre che le particelle tendono a hanno aumentato la velocità di sedimentazione in turbolenza come discusso in Jacobs et al. 7.

Figure 1
Figura 1: descrizione schematica dell'apparato sperimentale, che consiste di un serbatoio di turbolenza di griglia, particella immagine velocimetry l'installazione (utilizzando una fotocamera CCD (PIV) e laser) e 2D ad alta velocità imaging particella rilevamento installazione (usando una fotocamera CMOS (PT) e luce LED ). Dimensioni sullo schema vengono forniti in centimetri. Questa figura è stata modificata da quello mostrato in Jacobs et al. 7 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: distribuzione di velocità e le traiettorie. (A) una distribuzione di velocità del fluido istantaneo esempio rappresentata da vettori in pixel/s sovrapposto sulla vorticità istantanea caratterizzata da colore. Il vettore di ridimensionamento rosso in basso a sinistra rappresenta 500 pixel/s. (B) un esempio di time-lapse (oltre 30 immagini di PT) traiettorie delle particelle con un diametro medio di 261 µm alle oscillazioni di griglia di 5 Hz. Pannello B di questa figura è stato modificato da quello mostrato in Jacobs et al. 7 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: orizzontalmente una media profili verticali di RMS delle fluttuazioni turbolente verticale orizzontale (a) e (b) per tutte le frequenze di griglia (Vedi legenda). Le velocità di RMS turbolente aumentano con frequenza di rete. Valori RMS si basano su 500 mappe vettoriali calcolate in tutte le sedi e poi successivamente mediato su tutte le posizioni orizzontali (50 punti) a ogni posizione verticale per ottenere i profili verticali indicati. Questa figura è stata modificata da quello mostrato in Jacobs et al. 7 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: istogrammi delle particelle misurato velocità orizzontale e verticale in acqua stagnante e condizioni di turbolenza (Vedi sottotitoli) per (una, due pannelli a sinistra) una particella di sabbia (forma irregolare) naturale con 261 µm diametro medio e (B, destra due pannelli) una particella sintetica sferica con un diametro medio di 71 µm. Le linee nelle sottotrame sono misure gaussiane per gli istogrammi. Questa figura è stata modificata da quello mostrato in Jacobs et al. 7 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: velocità di sedimentazione in condizioni di flusso turbolento e stagnante rispetto alle dimensioni delle particelle per diversi tipi di particelle. Come illustrato nella legenda, i colori rappresentano sedimenti diversi tipi: particelle sintetiche o fabbricate, sabbia industriale diversi tipi (120, 100, 35) e la sabbia da una locale spiaggia di Myrtle Beach, SC-Vedi tabella 1 in Jacobs et al. 7 per ulteriori dettagli. I simboli, tra cui il cerchio pieno, indicano le condizioni di flusso rappresentato come frequenza di griglia nella leggenda, dove stagnante si riferisce alla frequenza zero. Con l'aumentare delle frequenza di rete aumenta, le fluttuazioni di velocità turbolento di RMS. Le curve empiriche di Dietrich16 per velocità di sedimentazione delle particelle in acqua stagnante sono indicate anche per diversi fattori di forma diversa. Questa figura è stata modificata da quello mostrato in Jacobs et al. 7 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

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Il metodo qui descritto è relativamente poco costoso e fornisce un modo semplice per misurare simultaneamente le traiettorie delle particelle e turbolenza al fine di esaminare l'influenza del flusso sulla cinematica delle particelle. È degno di menzione che flussi o movimenti delle particelle che sono fortemente tridimensionali non sono adatti per questa tecnica. Il movimento fuori del piano si tradurrà in errori17 in 2D di rilevamento e l'analisi PIV e deve essere ridotto al minimo. Inoltre, il metodo richiede la concentrazione di particelle cingolate per essere relativamente basso (nell'ordine di decine di particelle per PT immagine). Questa restrizione è importante al fine di massimizzare la fiducia che la stessa particella è registrata in due immagini consecutive. Se troppe particelle esistono contemporaneamente nel campo visivo della telecamera PT, quindi imprecisioni nei calcoli di traiettoria e risoluzione anticipata delle traiettorie può verificarsi come pure aumentati errori nell'analisi immagine PIV. Di conseguenza, problemi connessi con la flocculazione delle particelle sarebbero stato difficile per questa tecnica per indagare perché le concentrazioni di particelle in genere sono necessari. Infine, questa tecnica è più adatta per il rilevamento di particelle più grandi (> 50 µm). Deve esserci una separazione sufficiente tra i traccianti PIV (~ 10 µm) dalle particelle che vengono rilevate. Un fattore di almeno 5 è suggerito.

I passaggi più critici nel protocollo per la particella di rilevamento sono la procedura di calibrazione, selezione del frame rate, concentrazione di particelle a immagini, assicura elevato rapporto segnale-rumore nelle immagini ad alta velocità. L'analisi di blob richiede la conversione dell'immagine a scala di grigi di un'immagine in bianco e nero su cui vengono calcolate le traiettorie delle particelle. Se il contrasto nelle immagini ad alta velocità è tale che questa conversione è difficile, quindi errori nelle traiettorie sono probabilmente perché ci sarà incertezza nell'identificazione delle particelle. Spostamento delle particelle insufficiente, troppo grande di spostamento tra frame, o troppe particelle può portare a errori delle traiettorie delle particelle e/o risoluzione anticipata delle traiettorie delle particelle. Per la PIV, la taratura della dimensione dell'immagine, l'impostazione del tempo tra coppie di immagini, la selezione adeguata dei traccianti e dettagliata l'allineamento tra la fotocamera PIV e il laser sono i passi più importanti per garantire un buon risultato nell'analisi di correlazione di PIV , che è la chiave per ottenere statistiche accurate sulla turbolenza.

Qui, abbiamo dimostrato i risultati della tecnica applicandolo per esaminare la velocità di sedimentazione di vari tipi e dimensioni delle particelle di sedimento in diverse condizioni di turbolenza. I risultati mostrano una distribuzione di Gauss quasi di particella sedimentazione velocità (come pure le velocità orizzontale) di cui la media è considerata una tipica velocità di sedimentazione per quella particella in condizioni diverse. il RMS delle fluttuazioni turbolente velocità mostrano un aumento con frequenza di rete come previsto7,15 e sono circa uniforme sopra l'altezza verticale FOV (a parte un caso di bassa turbolenza - 2 Hz frequenza di rete, vedere Figura 3 ). Insieme, questi risultati dimostrano che la misura simultanea delle particelle e campo di flusso hanno avuto successo. Dimostrano anche che ci sono velocità di sedimentazione aumentato con l'aumento della turbolenza7, che è coerente con la teoria di "fast-tracking" di comportamento di sedimentazione delle particelle nel flusso turbolento11.

L'utilizzo del metodo qui è un esempio di affrontare una questione scientifica che coinvolge l'interazione particella-turbolenza; il metodo può essere utilizzato in altre discipline di ricerca e applicazioni. Oltre ad analizzare le tendenze in un particolare aspetto del comportamento delle particelle in diverse condizioni di flusso, è anche possibile esaminare la velocità di flusso alle istanze specifiche nel tempo lungo la traiettoria di una particella. L'integrazione delle informazioni di velocità di flusso con i dati di traiettoria della particella dipende dalla domanda specifica studiata e offre una potenziale ricchezza di informazioni per quanto riguarda la cinematica delle particelle nei flussi per una vasta gamma di applicazioni. In sintesi, questa tecnica offre una soluzione a basso costo per la misura simultanea delle traiettorie delle particelle e turbolenza rilevante in un certo numero di applicazioni dove il flusso del fluido interagisce con particolato di origine naturale o antropica.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Parti di questo lavoro sono stati sostenuti dalla Fondazione II-VI e la concessione di valorizzazione professionale Carolina costiero. Vorremmo anche riconoscere Corrine Jacobs, Marek Jendrassak e William Merchant per aiutare con la messa a punto sperimentale.

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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Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso
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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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