Waiting
Login processing...

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

Engineering

قياس واحد من الاضطراب والجسيمات الكينماتيكا التدفق تقنيات التصوير باستخدام

Published: March 12, 2019 doi: 10.3791/58036
Automatic Translation
1, 1
1Department of Coastal and Marine Systems Science, Coastal Carolina University

Summary

الأسلوب الموصوفة هنا يوفر طريقة منخفضة التكلفة وبسيطة نسبيا في الوقت نفسه قياس الجسيمات علم الحركة والاضطراب في التدفقات مع تركيزات منخفضة من الجسيمات. الاضطراب الذي يقاس باستخدام الجسيمات الصورة فيلوسيميتري (PIV)، وتحسب الكينماتيكا الجسيمات من الصور التي تم الحصول عليها مع كاميرا عالية السرعة في تداخل حقل-من-وجهة نظر.

Abstract

إشراك العديد من المشاكل في المجالات العلمية والهندسية فهم علم الحركة الجسيمات في تدفقات المضطرب، مثل الملوثات المجهرية البحرية و/أو الترسبات في المحيط، أو المميعة المفاعلات وعمليات الاحتراق في هندسة النظم. ومن أجل دراسة أثر الاضطراب في علم الحركة للجزيئات في هذه التدفقات، قياسات متزامنة من الكينماتيكا التدفق والجسيمات مطلوبة. توجد تقنيات قياس التدفق عدم التدخل، الضوئية لقياس الاضطراب، أو لتتبع الجسيمات، ولكن قياس كليهما في نفس الوقت يمكن أن تكون صعبة بسبب التداخل بين التقنيات. الطريقة المعروضة هنا يوفر طريقة منخفضة التكلفة وبسيطة نسبيا لإجراء قياسات متزامنة من الكينماتيكا التدفق والجسيمات. مقطع عرضي للتدفق تقاس باستخدام تقنية فيلوسيميتري (PIV) صورة جسيمات، التي توفر عنصرين للسرعة في الطائرة القياس. ويستخدم هذا الأسلوب ليزر النبضي لإضاءة مجال تدفق المصنف التي يتم تصويرها بكاميرا رقمية. يتم تصويرها الكينماتيكا الجسيمات في نفس الوقت باستخدام ضوء التي ينبعث منها الضوء خط صمام ثنائي (LED) الذي ينير مقطع عرضي مستو التدفق التي يتراكب مع PIV الميدانية من-الرأي (FOV). خط الضوء هو الطاقة منخفضة بما يكفي أن لا تؤثر على القياسات PIV، لكن تصويرها قوية بما يكفي لإلقاء الضوء على الجسيمات أكبر من الاهتمام باستخدام كاميرا عالية السرعة. تتم تصفية الصور عالية السرعة التي تحتوي على نبضات الليزر من تقنية PIV بسهولة عن طريق فحص مستوى كثافة summed لكل صورة عالية السرعة. بجعل معدل الإطار لكاميرا عالية السرعة تتناسب مع معدل الإطار الكاميرا PIV، يمكن تقليل عدد الإطارات الملوثة في السلسلة الزمنية عالية السرعة. التقنية مناسبة لمتوسط التدفقات التي أساسا ثنائية الأبعاد، وتحتوي على الجسيمات التي على الأقل 5 مرات قطر يعني PIV البذر تتبع، وانخفاض في تركيز.

Introduction

يوجد عدد كبير من التطبيقات في المجالات العلمية والهندسية التي تنطوي على سلوك الجزيئات في تدفقات المضطرب، على سبيل المثال، والهباء الجوي في الغلاف الجوي، والملوثات، و/أو الترسبات في هندسة النظم، والبحرية الكائنات الحية الدقيقة أو الرواسب في المحيط2،،من13. في مثل هذه التطبيقات، أنها كثيرا من الاهتمام لفهم الكيفية التي تستجيب بها الجسيمات للاضطراب، الأمر الذي يتطلب قياس متزامنة الكينماتيكا الجسيمات وديناميات السوائل.

التكنولوجيات القائمة لقياس الجسيمات في الطلبات، تسمى الجسيمات تتبع (PT)، الذي يتتبع مسارات الجسيمات الفردية، وتقنية إحصائية من الجسيمات الصورة فيلوسيميتري4،5 (PIV)، المستخدمة لقياس التدفق السرعات، كلاهما إدماج التقنيات البصرية غير تدخلية. ويتمثل التحدي الرئيسي في استخدام هذه التقنيات البصرية غير تدخلية لقياس الكينماتيكا التدفق والجسيمات في نفس الوقت منفصلة الإضاءة المطلوبة لكل تقنية التصوير التي لا تتداخل مع (الطرف الآخر دقة القياس مثلاً، مصدر الإضاءة لقياس الكينماتيكا الجسيمات لا يمكن أن تعمل كمصدر ضجيج كبير في قياس سرعة السوائل والعكس بالعكس). تباين الصورة في كلتا المجموعتين من الصور يجب أن يكون كافياً للحصول على نتائج يمكن الاعتماد عليها. على سبيل المثال، الصور PT يتم تحويلها إلى صور بالأبيض والأسود بغية إجراء تحليل blob لتحديد مواقع الجسيمات؛ وهكذا التباين غير كاف يؤدي إلى أخطاء في موقف الجسيمات. الفقراء من التباين في الصور PIV المبالغ نسبة إشارة إلى الضجيج منخفض سوف يسبب عدم الدقة في تقدير سرعات السوائل.

ويرد هنا، وسيلة منخفضة التكلفة وبسيطة نسبيا قياس سرعات الكينماتيكا وتدفق الجسيمات معا في وقت واحد. من خلال استخدام الضوء أحادي اللون عالية الطاقة التي تنبعث منها خط صمام ثنائي (LED) الخفيفة، حيث يشير السطر إلى الفتحة الخفيفة، والليزر عالية الكثافة المزدوجة-رئيس، يتم تصويرها كلا الجسيمات من الفائدة ومجال التدفق في نفس المنطقة في وقت واحد. قوة LED عالية كافية لتصوير الجسيمات (تتبع) بكاميرا عالية السرعة ولكن لا تؤثر الصور PIV نظراً لشدة الضوء المتناثرة من تتبع PIV منخفض جداً. عندما ينير الليزر عالية الكثافة المزدوجة-رئيس مجال التدفق للصور PIV، فإنه يحدث على مدى فترة زمنية قصيرة وهذه الصور بسهولة تحديد وإزالة من السلسلة الزمنية التي حصلت عليها الكاميرا PT عالية السرعة عند تسجيلها. PIV ليزر النبضات التي سجلت في وقت صورة عالية السرعة (المستخدمة للجسيمات تتبع) سلسلة يمكن التقليل من عدم تشغيل النظامين في إطار اقتناء معدلات تتناسب مع بعضها البعض. في الأجهزة الأكثر تقدما، واحد يمكن أن يتسبب خارجياً الكاميرات PT و PIV مع تأخير يكفل هذا لا يحدث. أخيرا، بدراسة دقيقة لكمية الجزيئات التي يتم تعقبها داخل مجال الرؤية PIV (FOV)، أي أخطاء عرضته هذه الجزيئات يتم تعقبها في تحليل ترابط الصور PIV فعلا تؤخذ في الاعتبار قبل تقدير الخطأ عموما، بما في ذلك الأخطاء المرتبطة بتوزيع حجم غير موحد لتتبع PIV ضمن إطار الاستجواب. بعد الغالبية العظمى من PIV البذر تتبع التدفق، تسفر عن تقديرات سرعة تدفق دقيقة. تمكن هذه التقنيات القياس المباشر المتزامن لكلا الجسيمات الكينماتيكا وتدفق الحقل في طائرة ثنائية الأبعاد.

ويتجلى هذا الأسلوب بتطبيقها لتحديد الجسيمات تسوية الخصائص في تدفق المضطرب، مماثلة لتلك المستخدمة في الدراسات يانغ و خجولة6 جاكوبس et al. 7-تسوية الجسيمات هي المرحلة النهائية في انتقال الرواسب، الذي يتكون عادة من تعليق الرواسب، والنقل، وتسوية. في معظم الدراسات السابقة التي تناولت الجسيمات تسوية في تدفقات المضطرب، أما مسارات الجسيمات أو السرعات المضطربة لا تقاس مباشرة ولكن يستدل من الناحية النظرية أو على غرار8،،من910. تفاصيل حول التفاعلات بين الجسيمات والاضطراب قد تم التحقيق في أغلب الأحيان استخدام النماذج النظرية والعددية بسبب قيود التجريبية في قياس كليهما في وقت واحد6،11. نقدم دراسة حالة تفاعل جسيمات-اضطراب في منشأة شبكة المتذبذبة، حيث نقوم بدراسة سرعة تسوية من الجسيمات وعن اقتران مع الاضطرابات. للوضوح، الآخرة وسوف نشير إلى الجسيمات قيد التحقيق "الجسيمات" والجسيمات البذر المستخدمة لهذه التقنية PIV ك "تتبع"؛ بالإضافة إلى ذلك، سوف نشير إلى الكاميرا المستخدمة للتصوير فائق السرعة لمسارات الجسيمات ك "الجسيمات تتبع" أو "حزب العمال"، أو الكاميرا "فائق السرعة"، والذي يقيس "صور عالية السرعة" والكاميرا المستخدمة لأسلوب PIV "الكاميرا PIV"، التي تدابير "الصور". الأسلوب الموصوفة هنا تمكين المتزامن قياس الجسيمات الكينماتيكا وديناميات السوائل عبر حقل معرف مسبقاً من الاهتمام داخل المرفق. البيانات التي تم الحصول عليها يقدم وصفاً ثنائي الأبعاد لتفاعل الجسيمات الاضطراب.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ملاحظة: ينبغي تدريب جميع الموظفين على الاستخدام المأمون وعملية الليزر "الصف الرابع" فضلا عن الاستخدام المأمون وتشغيل أدوات يدوية والسلطة.

1-الإعداد التجريبية

  1. الإعداد PIV
    1. قم بإعداد المزدوج-رئيس الليزر والبصريات.
      1. وضع الليزر على صفيحة ضوئية. مستوى الليزر فيما يتعلق بالجزء السفلي من المرفق (أو فيما يتعلق بالأرض إذا كان ذلك هو المطلوب للسرعات عمودي محاذاة مع تسارع الجاذبية) وعمودياً محاذاة شعاع الليزر بمركز الطائرة 2D تصويرها.
      2. وضع العدسة الاسطوانية في مسار شعاع الليزر بتأمين ذلك للوحة الضوئية. وسوف تشكل العدسة الشعاع في 2D طائرة. حجم الطائرة 2D تصويرها سيتوقف على البعد البؤري للعدسة والمسافة من المنطقة للتحقيق. ضبط العدسة وحتى المنطقة مضاءة على مسافة كبيرة بما فيه الكفاية لتطبيق معين.
      3. ضع عدسة كروية على اللوحة الضوئية بين العدسة الاسطوانية والطائرة صورة 2D. سوف تحدد المسافة بين العدسات الكروية والأسطوانية والبعد البؤري لعدسة كروية سمك 2D الطائرة مضيئة (الخفيفة ورقة). ضبط هذه المسافة والبعد البؤري للعدسة حتى تصبح الورقة الخفيفة حوالي 0.5-1 مم سميكة.
    2. موقف وإجراء المعايرة الأولية للكاميرا PIV.
      1. إرفاق عدسة الكاميرا PIV، دورة على الكاميرا PIV في وضع تحرير/المستمر، وتركيز الكاميرا PIV خشنا. ضبط وتوقف الكاميرا PIV للسماح للضوء الكافي قبل التصوير الاستشعار؛ وقد تختلف هذه الإعداد وتوقف عند استخدام الضوء الأبيض في الغرفة مقابل الإضاءة الليزر.
        1. ضبط العدسة والمسافة حتى حجم الصورة غير كافية لمراقبة منطقة الفائدة. اختيار العدسة والمسافة بين الكاميرا PIV والورقة الضوء يحدد الحجم الفعلي للصورة PIV الكاميرا. ومن الناحية المثالية، ينبغي أن يكون حجم الصورة أصغر من (أو ما شابهها) حجم إعداد كشف الضوء في 1.1.1.
      2. ضمان الكاميرا PIV عمودي على الورقة الخفيفة وخشونة ضبط الارتفاع أن المنطقة ذات الاهتمام (تحددها حدود الورقة الخفيفة – راجع الخطوة 1.1.1) هو داخل الكاميرا PIV الحقل من العرض (FOV).
      3. مستوى الكاميرا PIV فيما يتعلق بالجزء السفلي من مرفق التدفق (أو فيما يتعلق بالأرض إذا كان ذلك هو المطلوب للسرعات عمودي محاذاة مع تسارع الجاذبية). من الأهمية بمكان أن تكون الكاميرا PIV التحديد عمودي على الورقة الخفيفة، حيث يجب التحقق من دقة.
      4. إيقاف الكاميرا PIV وتشغيل الليزر. ضع هدفا معايرة ومواءمته مع مركز الورقة الضوء، ثم إيقاف تشغيل الليزر.
        ملاحظة: هو هدف المعايرة لوحة ثنائية الأبعاد (عادة مصنوعة من المعدن لأغراض صلابة)، التي تحتوي على علامات متعددة (علىسبيل المثال، يشير أو يعبر) المنحازة في تشكيل شبكة متباعدة بشكل منتظم. وعادة ما رسمت اللوحة سوداء مع علامات بيضاء. المسافة المعروفة بين العلامات يمكن تقدير عامل التحويل بين وحدات مادية وكسل.
      5. إعادة تشغيل الكاميرا PIV وصقل تركيز الكاميرا PIV على هدف المعايرة. سيتم تحديد القرار بكسل للكاميرا PIV جيدا كيف يمكن أن تحل المنطقة في الفضاء؛ وهكذا، فإنه ينبغي النظر (انظر الخطوات 2.1.1 و 2.1.4 لمزيد من التفاصيل عن هذه الاعتبارات).
      6. التقاط صورة واحدة. تأكيد الكاميرا PIV مستوى بضمان أن ارتفاع صف هدف معايرة يتسق، فضلا عن أن الموضع الأفقي على طول عمود هدف معايرة يتسق. التحقق من حجم علامات المعايرة في كل زاوية من الصورة (بالبكسل) بغية تقييم مقدار تشويه الصورة، التي ينبغي التقليل. الفرق في حجم علامات المعايرة على كل من الزوايا الأربع ومن الناحية المثالية يجب أن تكون صفراً؛ ولكن ينبغي أن لا تختلف بأكثر من 1 بكسل.
    3. إضافة تتبع PIV التدفق.
      1. حدد تتبع مناسبة أن حجم خاملة كيميائيا، المناسبة وهي ازدهار محايدة (كثافة مماثلة كالسائل) والشكل (كروية وصغيرة بما يكفي تتبع التدفق)، ومؤشر إنكسار عالية بالنسبة للسوائل12،13 .
        ملاحظة: في دراسة الحالة المعروضة حيث السائل هو الماء، لقد استخدمنا مجالات الزجاج جوفاء بمتوسط يبلغ قطرها 10 ميكرومترات وكثافة 1.1 غ/سم.
      2. إدخال مواد استشفاف PIV في التدفق وتشغيل المرفق (يتذبذب الشبكة) حتى أنها تمتزج جيدا. تدريجيا الأخذ تتبع وتقييم جودة الصورة ومستوى من الكثافة تتبع داخله.
        ملاحظة: فصل كبير بين الراسم الرمادي مستوى كثافة وكثافة الخلفية الأمثل.
        1. تقييم من خلال تشغيل الليزر وجمع الصور في وضع تحرير/المستمر. ينبغي أن يكون تركيز تتبع بالصورة كثيفة لكن لا الأرقط4،14. النظر في حجم إطار العلاقة المرجوة في تحديد مستوى التركيز، كما اقترح أن يكون حول الصورة 8-10 أزواج الجسيمات واضحة في PIV أزواج ل تحليل الارتباط عبر4 (راجع الخطوة 2.1.1).
    4. قم بإعداد المعلمات PIV. معلمات PIV تتكون من معدل الإطار الكاميرا PIV (وهو نفس معدل التكرار المزدوج--نبض الليزر)، التوقيت بين أزواج الصورة (أي توقيت بين نبضات الليزر (مزدوج) على التوالي)، والعدد من أزواج الصورة لجمع. قد تكون هناك حاجة إلى صقل هذه الإعدادات بعد استعراض النتائج من الخطوة 1.1.5.
      1. تعيين توقيت الكاميرا PIV والليزر (معدل الإطار). هذه تحديد دقة الوقت الخرائط ناقل السرعة عينات، وينبغي أن تكون كأعلى مستوى ممكن (الحد من الكاميرا PIV، الليزر، أو مساحة على القرص الثابت) ما يصل إلى نصف مقياس الوقت أصغر من التدفق.
      2. تعيين التوقيت بين الصور PIV متتالية (أي زوج صور PIV).
        1. تعيين التوقيت بين الصور PIV على التوالي استناداً إلى سرعة تدفق متوسط في المنشأة وحجم النوافذ الاستجواب (انظر 2.1.1). وقد تتبع تهجير حوالي 1/4-1/2 الاستجواب حجم الإطار في الوقت المنقضي بين الصور على التوالي. كما يحدد الوقت بين الصور على التوالي التوقيت بين نبضات الليزر اثنين.
        2. تحدد مسبقاً نبض الأولى لإطلاق النار وقت قصير بعد فتح مصراع الكاميرا PIV. في حالة استخدام كاميرا PIV عبر ارتباط، الكاميرا PIV تخزن الصورة في الذاكرة المخزن المؤقت وإعادة فتح مصراع الكاميرا مرة أخرى.
        3. إطلاق النار نبض الليزر الثانية استناداً إلى وقت إعداد هذه الوثيقة. مرة حرائق النبض الثانية، مصراع الكاميرا ستغلق مرة أخرى، إرسال كل الصور إلى المختطف الإطار (أو ذاكرة الكاميرا PIV على متن الطائرات).
        4. تحديد الوقت بين نبض الأولى أن يطلق الحصول على الصورة الأولى لزوج الصورة ومعدل النبض الأول الذي يقوم بتشغيل الحصول على الصورة الأولى لزوج الصورة اللاحقة بالإطار الكاميرا PIV (انظر 1.1.4.1).
      3. تعيين عدد أزواج الصورة لجمع. يجب تحديد عدد أزواج الصورة لجمع لضمان تقارب خصائص تدفق الإحصائية، التي تعتمد على إعداد تجريبية ولكن هو عادة في مجموعة مئات آلاف أزواج الصورة.
    5. اختبار الإعداد PIV.
      1. تعيين الليزر إلى وضع المشغل الخارجي لكل رؤساء الليزر وزيادة قوة الليزر. تعتيم الغرفة تماما.
      2. الشروع في جمع البيانات في وضع المستمر المتزامنة لبضع ثوان.
      3. التوقف عن جمع البيانات.
      4. عبر الصورة كورليت جمع أزواج (انظر 2.1.1).
        1. إذا النسبة المئوية لناقلات جيدة يمر أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (نسبة أعلى ذروة عبر الارتباط إلى الثاني أعلى عبر ارتباط الذروة – انظر 2.1.1) ليست في نطاق 90% العلوي أو الراسم متوسط التشريد داخل windows الاستجواب تكرار لا حوالي 0.25-0.5 حجم إطار الاستجواب، والتحقق من صحة تنفيذ الخطوات المذكورة في القسم 1-1 حتى يتحقق. وبمجرد تحقيق هذه القيم، وقف المرفق (ذبذبة الشبكة إيقاف).
  2. إعداد تتبع الجسيمات عالية السرعة 2D
    1. ضع الصمام الخفيفة خط أحادي اللون.
      1. اختر خط الصمام الخفيفة مثل أن كان ينير الجسيمات قيد التحقيق (مثلاً جزيئات الرسوبيات) مع كبير المستطار كثافة (الفرق الكبير في مؤشر الانكسار الجسيمات فيما يتعلق بالسائل). فإنه ينبغي أيضا قادرة على تسليط الضوء بشكل مستمر أو بمعدل يمكن أن تكون متزامنة مع الكاميرا PT.
      2. قم بتصغير سمك خط الضوء لمطابقة ثخانة الورقة الخفيفة PIV من الناحية المثالية، ولكن لا أن يكون أكثر من 10 مرات أكثر سمكا من سمك الورقة الخفيفة PIV بغية الحد من أي غموض بسبب حركة الجسيمات الخروج من الطائرة.
      3. تغيير حجم عرض الخط الصمام الخفيفة لمطابقة أو تشمل فوف PIV. جبل الصمام عمودياً على الورقة الخفيفة إنشاؤها بواسطة الليزر حيث لا توجد أي قضايا من انسداد الخفيفة (مثل PIV الخفيفة ورقة من الجانب) والصمام من الأسفل. انظر الشكل 1.
      4. محاذاة خط الصمام الخفيفة مثل سمك الورقة الخفيفة PIV يتركز داخل سمك الخط الصمام الخفيفة. فقط قم بضبط موضع الضوء LED لتحقيق هذا التوافق. سوف تتطلب حركة الورقة الخفيفة PIV تكرار الخطوات المذكورة في القسم 1-1.
    2. موقف وإجراء المعايرة الأولية للكاميرا PT عالية السرعة.
      1. إرفاق عدسة الكاميرا حزب العمال وتشغيل الكاميرا حزب العمال في وضع الحرة/مستمر/لايف وخشونة تركيز الكاميرا PT. إذا لزم الأمر، ضبط والكاميرا نقطة توقف للسماح للضوء الكافي قبل التصوير الاستشعار الكاميرا حزب العمال؛ وقد تختلف هذه الإعداد وتوقف عند استخدام الضوء الأبيض في الغرفة مقابل الإضاءة المستندة إلى الصمام. اختيار العدسة والمسافة بين الكاميرا وخط الصمام الخفيفة يحدد الحجم الفعلي للصورة الكاميرا PT. ومن الناحية المثالية، سوف تكون الكاميرا PT فوف أصغر من (أو ما شابهها) حجم المنطقة المضاءة بالصمام.
      2. ضمان الكاميرا عالية السرعة على ضوء خط عمودي وضبط الارتفاع خشنا حيث تكون المنطقة ذات الاهتمام داخل فوف الكاميرا PT وشاملة فوف PIV.
      3. مستوى الكاميرا حزب العمال فيما يتعلق بالجزء السفلي من مرفق التدفق (أو فيما يتعلق بالأرض إذا كان ذلك هو المطلوب للسرعات عمودي محاذاة مع تسارع الجاذبية). من أهمية قصوى أن تكون الكاميرا PT التحديد عمودي على الطائرة مضيئة في السطر الخفيفة، حيث يجب التحقق من دقة.
      4. إيقاف الكاميرا PT، بدوره على ضوء الخط، ووضع هدف معايرة تتماشى مع مركز النور خط، ثم إيقاف تشغيل خط الضوء.
      5. إعادة تشغيل الكاميرا PT وصقل تركيزها على هدف المعايرة. زيادة صقل العدسة والمسافة حتى حجم الصورة غير كافية لمراقبة منطقة الفائدة وتكون شاملة فوف PIV.
      6. اختيار العدسة والمسافة مثل الكاميرا PT عالية السرعة فوف أكبر من فوف PIV. هذا الترتيب ضروري للتأكد من أن الكاميرا PIV والكاميرا PT عالية السرعة لا فعلياً حظر بعضها البعض.
      7. ترتيب الكاميرات PT و PIV عمودياً (مكدس) أو الإزاحة إلى جانب بعضها البعض. يمكن أن تكون مريحة لمحاذاة أحد أركان حزب العمال فوف و PIV فوف عالي السرعة. سيتم تحديد القرار بكسل للكاميرا PT جيدا كيف يمكن أن تحل المنطقة في الفضاء؛ وبالتالي، ينبغي النظر في ذلك. معامل التحويل بين وحدات مادية وكسل يحدد المسافة المادية المشمولة بمقدار بكسل واحد. ينبغي أن يحل محل الجسيمات حوالي 3-10 بكسل بين صور متتالية، وإذا كان هذا النزوح الكبيرة جداً (أو صغيرة) فوف صغير جداً (أو كبير جداً) أو عدد وحدات البكسل كبير جداً (أو صغير جداً) ثم الجسيمات قد لا تحل محل مثالية عدد وحدات البكسل بين الصور (انظر أيضا 1.2.3.2).
      8. حدد الجسيمات للتحقيق.
        1. استخدام جسيمات اهتمام أكبر بكثير من PIV البذر تتبع بغية التمييز بما فيه الكفاية بين الجسيمات التحقيق وتتبع PIV. نحن كانت ناجحة مع الجزيئات أكبر من تتبع PIV حوالي 5 مرات، والنظر في هذا الحد الأدنى، لكن الحد الأقصى يمكن أن تعتمد على الانكسار الجسيمات ومصادر الضوء. وينبغي أن تشمل الجسيمات التحقيق حول 4-5 بكسل في المنطقة في صورة كاميرا عالية السرعة. ولذلك، يمكن أن تسمح حجم الجسيمات التحقيق لأقل دقة بكسل لصورة عالية السرعة من الصور PIV.
        2. كرر الخطوات 1.2.2.1-1.2.2.5 حسب الحاجة لتحقيق هذه الخطوة.
      9. الحصول على صورة واحدة لهدف المعايرة. تأكيد الكاميرا PT مستوى ضمان ارتفاع صف هدف معايرة ينسجم ويتسق الموضع الأفقي على طول عمود هدف المعايرة. أيضا التحقق من حجم علامات المعايرة في كل زاوية من الصورة من أجل تقييم مقدار تشويه الصورة، التي ينبغي التقليل من (لا تختلف بأكثر من 1 بكسل).
    3. تعيين معلمات كاميرا عالية السرعة. المعلمات كاميرا عالية السرعة تتكون من معدل الإطار الكاميرا PT (في هذه الحالة أيضا تحديد وقت التعرض) ودقة الكاميرا PT (الإطار الكامل أو binning بكسل لزيادة معدل الإطار أو تمديد وقت الامتلاك) والعدد من الصور التي تم جمعها.
      1. تعيين العدد من الصور يتم جمعها (أي طول الوقت اكتساب). عدد الصور التي تم جمعها يؤثر عدد مسارات الجسيمات يقاس – يعد اكتساب الوقت، وأكثر المسارات التي يمكن قياسها.
      2. تعيين معدل الإطار (ووقت التعرض) وقرار الكاميرا PT عالية السرعة.
        1. تجنب تحديد معدل الحصول على صورة عالية السرعة لنفسه أو متعددة من معدل الإطار PIV. تعيين معدل الإطار استناداً إلى سرعة المقدرة للجسيمات في التدفق. ينبغي أن يحل محل الجزيئات أكثر من 1 أو 2 بكسل لتفادي حالات تداخل المواقف الجسيمات في الصورتين على التوالي؛ ومع ذلك، وجود فجوة كبيرة (> 10 بكسل) سوف ينتج أقل ثقة في تحديد الجسيمات نفسها في صور متتالية، مما أسفر عن فقدان مسار الجسيمات (انظر 2.2.4). ضبط الكاميرا PT معدل القرار والإطار لتحقيق عمليات التشريد الجسيمات في هذا النطاق (3-10 بكسل).
    4. اختبار الإعداد كاميرا عالية السرعة.
      1. خط دورة على الصمام الخفيفة وخلاف ذلك تلقي بظلالها الغرفة.
      2. قم بتشغيل المرفق (بدء تتأرجح الشبكة).
      3. إدخال التدفق الجسيمات والتقاط إطارات قليلة بعد الجسيمات تظهر في فوف الكاميرا عالية السرعة. تراكب إطارات متتالية، وتقييم ما إذا كان يمكن تمييز جزيئات في إطارات متتالية.
        1. التحقق من أن المقدمة الجسيمات فوف الكاميرا عالية السرعة يحدث بما فيه الكفاية بعيداً عن فوف أن تأثيرات الدخول لا يعتد بها، وأن كثافة الجسيمات متفرق ما يكفي أنه لا توجد حالات متكررة من التداخل بين الجزيئات داخل صورة عالية السرعة فوف، وأن الحركة الجسيمات أساسا في الطائرة المصورة حيث تكون الجسيمات يمكن تتبعها بالعين المجردة في الكاميرا فوف/PT الكاميرا صورة التاريخ.
        2. إذا لم يتم الحصول على هذه النتائج، ثم كرر 1.2 حتى يتحقق. حالما يتحقق، وقف المرفق (ذبذبة الشبكة إيقاف).
  3. جنبا إلى جنب المعايرة النهائية
    1. ضع هدف المعايرة في الكاميرا PIV وبط FOVs وضمن الأوراق الخفيفة الصمام و PIV. ينبغي أن يكون هدف المعايرة للعرض عالية السرعة PT الكاميرا والكاميرا PIV. تحقق من أن كل من الكاميرات في التركيز. إذا كان أحد لا في التركيز، ثم الخطوات 1.1 و 1.2 تحتاج إلى تكرار PIV الكاميرا وكاميرا عالية السرعة، على التوالي.
    2. تأكد من وجود علامة فريد واحد على الأقل على هدف المعايرة التي يمكن عرضها بكاميرا عالية السرعة فوف والكاميرا PIV فوف. قياس، والدلالة على وضع هذه العلامة الفريدة في المساحة الفعلية لأغراض التسجيل المكانية بين الصور.
    3. معايرة الكاميرا عالية السرعة بالتقاط وحفظ صورة واحدة من هدف المعايرة بالكاميرا PT عالية السرعة. معايرة الكاميرا PIV بنفس الطريقة.
    4. إزالة الهدف المعايرة من السوائل.
  4. جمع البيانات
    1. تشغيل المرفق (يتذبذب الشبكة) حتى تصل إلى حالة مستقرة (~ 20 دقيقة).
    2. تعيين ظروف الإضاءة بسواد الغرفة وتشغيل الصمام الخفيفة. إضافة الجزيئات في السائل.
    3. شكل متزامن ابدأ الحصول على الصور لكلا النظامين عند الجسيمات الأولى تظهر في الكاميرا PT عالية السرعة فوف (في وضع حية).
    4. تحميل الصور عالية السرعة من ذاكرة الوصول العشوائي للكاميرا PT عالية السرعة وحفظ الصور التي حصل عليها الكاميرا PIV.
    5. وقف المنشأة (إيقاف ذبذبات شبكة).

2-صورة التحليل

ملاحظة: هناك العديد من حزم البرامج المتوفرة لإجراء تحليل الصور PIV وحزب العمال على السواء – تجارية ومجانية. لتحليل PIV، هي رموز مجانية أوبينبيف (http://www.openpiv.net/) ماتبيف (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). أيضا بيع الشركات التجارية PIV تحليل البرامج. لتحليل PT، توجد العديد من رموز تعقب الجسيمات في 3D و 2D مثل الجسيمات المقتفي (https://omictools.com/particle-tracker-tool)؛ يمكن الاطلاع على قائمة كاملة بمختلف منصات البرمجيات هنا: https://omictools.com/particle-tracking-category أو http://tacaswell.github.io/tracking/html/. وقد بني معظم تحليل الحزم، مثلاً، MATLAB، في الأدوات التي تجعل من السهل نسبيا لتنفيذ تتبع التعليمات البرمجية الخاصة بك. واستخدمت للنتائج المعروضة في هذه الدراسة، أوبينبيف، TSI البصيرة، و MATLAB كتب مخصصة تتبع رموز.

  1. تحليل الصور PIV
    1. تقسيم شبكة للاستجواب windows (مثلاً 64 × 64 بكسل2 مع تداخل 50 ٪) التي يحسب سرعة تدفق متوسط في كل نافذة بربط عبر متتالية PIV الصورتين (أي زوج الصور PIV) ككل صورة وناقش في الإعداد PIV، قسم 1.1.4.2.
      ملاحظة: يحدد المسافة بين الارتباط الذروة في كل نافذة ومركز النافذة تشريد الراسم متوسط في هذا الإطار. مجرد معايرة، غلة هذا النزوح تقسيم الوقت بين الصور PIV متتالية (PIV صورة زوج-انظر الخطوة 1.1.4.2) تقديرات للعنصرين في الطائرة للسرعة في كل مكان4. مجتمعة، فإنه يشار إلى خارطة ناقل سرعة. حجم إطار الاستجواب يحدد القرار تدفق الحقل التي تنتجها التحليل PIV كما هو نصف هذه المسافة على السرعة المحسوبة ناقلات المباعدة بين الولادات. يعين هذا التباعد جنبا إلى جنب مع بكسل لمعامل التحويل المادي وحدة قرار مجال قياس التدفق. بالإضافة إلى ذلك، عدد كاف من تتبع للحصول على انخفاض عدد ناقلات الخاطئة (انظر 2.1.2)، يجب أن تكون موجودة في كل إطار (تتبع على الأقل 8-10)، وأنهم يجب أن لا يحل محل أكثر من حوالي ¼ إلى نصف حجم الإطار.
    2. قم بتصفية النتائج في العلاقة العابرة لإزالة نتائج زائفة من خرائط ناقل السرعة.
      1. تطبيق عامل تصفية (الاستخبارات) إشارة إلى ضوضاء. تتطلب نسبة 1.5 واعلاه يستخدم عادة (قد يتغير هذا الرقم استناداً إلى شروط تجريبية محددة).
        1. تعيين دائرة الاستخبارات الوطنية أن تكون أما النسبة بين الأول والثاني أعلى قمة الارتباط في إطار الاستجواب أو النسبة بين العلاقة الأولى والمتوسط عبر النافذة الاستجواب محددة. تحسين نسبة دائرة الاستخبارات الوطنية لكل مجموعة من التجارب. عدد ناقلات فشل هذا الاختيار دائرة الاستخبارات الوطنية ينبغي أن لا تتجاوز 10%.
      2. تصفية المتبقي ناقلات خاطئة (لا تتجاوز 5 في المائة بين الخطوات 2.1.2.2 و 2.1.2.3) باستخدام عامل تصفية عمومي أن يقارن كل ناقل السرعة الفردية مع متوسط سرعة خريطة زائد أو ناقص ثلاث انحرافات معيارية للسرعات خريطة، ويلغي سرعات خارج هذا النطاق.
      3. تصفية المتبقي خاطئة باستخدام عامل تصفية محلية أن يقارن كل ناقل السرعة الفردية مع متوسط سرعة حي المحيطة بسرعة ناقلات ناقلات (لا تتجاوز 5 في المائة بين الخطوات 2.1.2.2 و 2.1.2.3)، عادة 5 × 5 في الحجم.
        ملاحظة: استخدام متوسط وتحديد حجم حي قد تتغير تبعاً لظروف تجريبية محددة.
    3. استبدال ناقلات الخاطئة الموجودة في الخطوة 2.1.2 مع نواقل محرف (أو الوسيط حي) باستخدام معلومات من ناقلات حي المحيطة بها، عادة من حجم 5 × 5.
    4. تحديد نسبة التحويل عن بعد-إلى-بكسل. النظر في كيفية العديد من بكسل ترجمة لمسافة محددة باستخدام المسافة بين علامات على هدف معايرة تصويرها في خطوة 1.3.3.
    5. معايرة ناقلات. تحويل ناقلات المحسوبة في 2.1.1-2.1.3 خطوات للوحدات المادية باستخدام معامل التحويل هذه الخطوة 2.1.4 والوقت بين أزواج الصورة المحددة في الخطوة 1.1.4.2؛ تحويل عمليات النزوح في بكسل للسرعات في الوحدات المادية.
  2. تحليل الصور عالية السرعة
    1. قم بإزالة أي إطارات من السلسلة الزمنية صورة عالية السرعة الذي كان ينير الليزر PIV التدفق.
      1. مجموع قيم الكثافة لكل إطار الحصول عليها. وقد الإطارات التي تومض الليزر PIV كثافة summed الذي أكبر بكثير من تلك دون الليزر PIV النشطة في الصورة. استناداً إلى عتبة على كثافة summed، قم بإزالة أي صور من السلسلة الزمنية التي تحتوي كثافة summed أكبر من العتبة. انظر قسم 1.2.3.2 للتوجيه في التقليل من كمية الإطارات التي يحدث هذا.
    2. تحويل الصور الرمادية المتبقية إلى صور ثنائية باستخدام عتبة. وفي هذه الحالة، نستخدم الأسلوب في أوتسو إلى تحديد عتبة يحول الجسيمات إلى الخلفية إلى الأسود والأبيض.
    3. إجراء تحليل للنقطة لكل صورة.
      1. تحديد مناطق الاتصال في صورة أبيض وأسود-يشار إلى الكائنات. نموذجياً، يتم استخدام اتصال 8 بكسل.
      2. قم بإزالة أي الكائنات التي أصغر بكثير في المنطقة (أي عدد البيكسلات كائن يستهلك في الصورة) من حجم الجسيمات النموذجية في البيكسلات في الصورة، وعادة حوالي 3 بكسل.
    4. حساب مسارات الجسيمات.
      1. تحديد centroid كافة الكائنات (المتبقية) في الصورة الأولى.
      2. لكل كائن تم الكشف عن، البحث عن الصورة اللاحقة لنفس الكائن عن طريق البحث في منطقة بالقرب من centroid في الصورة السابقة. إلا إذا تم العثور على أحد الجسيمات/الكائن ضمن إطار البحث، ثم مواصلة المسار، وتسجيل الموقع من centroid في هذه الصورة؛ وبخلاف ذلك، إنهاء المسار.
        ملاحظة: كبير جداً البحث في منطقة يمكن أن يؤدي تحديد غير صحيح للجسيمات في الصورة اللاحقة حيث ينبغي أن تكون منطقة البحث كما مقيدة بقدر الإمكان دون التسبب بالتحيز في النتائج. إذا كان موضع الكائن في الإطار اللاحقة غالباً في نطاق الحد الأقصى من نافذة البحث، ثم نافذة البحث ليست كبيرة بما يكفي.
      3. كرر الخطوة 2.2.4.2 حتى يمكن لم يعد يمكن العثور على الكائن في الصورة التالية. عندما يحدث هذا، يعتبر المسار إنهاء.
        ملاحظة: إذا كان معظم الجسيمات المسارات هي دائماً قصيرة (مثلاً، أقل من 5 إطارات)، ثم هذه النتيجة يمكن أن تشير إلى أن هناك مهمة الحركة ثلاثية الأبعاد وأن هذا الأسلوب غير مناسب. وكقاعدة عامة، ينبغي أن تكون مسارات الجسيمات على الأقل ربع الجسيمات تتبع فوف14؛ ولكن ضرورة لأطوال المسار خاصة يمكن أن تختلف مع التطبيق.
      4. كرر الخطوات 2.2.4.1-2.2.4.3 بدءاً من الإطار الثاني لأي كائنات لم تكن بالفعل يجري تعقب من الإطار 1. كرر هذه العملية لكل الإطارات انطلاق ممكنة. وسوف تكون النتيجة مكتبة لمسارات الجسيمات في جميع أنحاء هذه التجربة.

3-تحليل

  1. حساب سرعات الجسيمات والتسارعات من موقف المسارات التي تم الحصول عليها من الصور عالية السرعة تستخدم في حزب العمال.
    1. التفريق بين مسارات الجسيمات الامتثال في الوقت في 2.2 (استناداً معدل الإطار المحدد في الخطوة 1.2.3.2) لحساب السرعات في كل اتجاه. هذا التمايز الوقت النتائج في تقديرات سرعة لاغرانج للجسيمات في بكسل لكل وحدة زمنية.
      ملاحظة: هذه الخطوة يحتاج فقط إلى إجراء إذا كان المطلوب هو معلومات السرعة النسبية للجسيمات.
    2. معايرة السرعات بتحويل السرعات من وحدات البكسل لكل وحدة زمنية لمسافة كل وحدة زمنية. يمكن الحصول على معامل التحويل (المسافة الواحدة بكسل) بفحص المسافة بين علامات على هدف معايرة تصويرها في خطوة 1.3.3.
  2. أداء التحلل رينولدز على خرائط المتجهات PIV لحساب كميات المضطربة.
    1. حساب متوسط الفرقة على جميع الخرائط ناقل السرعة PIV جمعت في كل موقع في ناقلات PIV الخرائط التي تم الحصول عليها من الخطوة 2، 1.
    2. القيام تحلل رينولدز بطرح هذه القيم الوسطية المحسوبة في 3.2.1 من السرعات لحظية في كل خريطة للحصول على السلسلة الزمنية لتقلبات السرعة المضطربة.
    3. حساب الإحصائيات للاهتمام، على سبيل المثال، السرعة المضطربة الجذر-يعني-ساحة (RMS). بدلاً من ذلك، واحد يمكن أن يدرس التقلبات المضطربة في مواقع الجسيمات الدقيقة داخل المسارات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويرد في الشكل 1تخطيطي للإعداد التجريبية. ويوضح الشكل ترتيب الأوراق الخفيفة (LED والليزر)، والتداخل في FOVs، وموقف FOVs بالنسبة للشبكة المتذبذبة وجدران خزان. وتقاس في وقت واحد كما هو موضح في المقطع بروتوكول بالاضطراب والجسيمات. ويبين الشكل 2 مثال نتائج القياسات لسرعة لحظية والدردوريه جنبا إلى جنب مع مسارات الجسيمات العينة. يتم تقييم نتائج التحليل PIV استناداً إلى الحوسبة RMS التقلبات المضطربة. لهذا المرفق الشبكة المتذبذبة، ينبغي زيادة حجم الوسط المكاني لتقلب السرعة RMS على فوف PIV مع تردد الشبكة لكل مكونات السرعة7،15. إذا لم يتم الحصول على هذه النتيجة، ثم المرفق الشبكة أو الإعداد PIV PIV التحليل تحتوي على أخطاء وينبغي تكراره. ويرد مثال على التشكيل الجانبي الرأسي RMS سرعة التقلبات لترددات الشبكة مختلفة في الشكل 3، حيث يتضح أن زيادة التقلبات المضطربة RMS مع تردد الشبكة.

يتم تقييم مسارات الجسيمات بدراسة توزيع السرعات التي تم الحصول عليها من مسارات الجسيمات، كما هو مبين في الشكل 4. ينبغي أن تكون هذه التوزيعات غاوسي تقريبا في التوزيع. إذا لم تكن كذلك، ثم قد يكون هناك مشكلة مع اكتساب صور عالية السرعة تبعاً لظروف تدفق معين، مسألة مع تحليل الصور عالية السرعة، أو عدد غير كاف من مسارات الجسيمات. في هذا التطبيق معينة من الأسلوب، التحقق نتائج مسار يمكن أيضا أن يتحقق بالمقارنة إلى منحنيات16 ديتريش للمياه الراكدة. مسار العمليات الحسابية في المياه ما زال استخدام نفس الإجراءات المبينة هنا لينبغي أن تسفر عن الجسيمات سرعة تسوية حوالي تتسق مع هذه المنحنيات التجريبية كما هو موضح في الشكل 5، حيث النتائج لتدفق راكدة إظهار حالة الاتفاق مع ديتريش المنحنيات16 . كما يوضح الشكل 5 أن الجزيئات تميل إلى زادت سرعة تسوية في الاضطراب كما تمت مناقشته في جاكوبس et al. 7.

Figure 1
رقم 1: وصف التخطيطي للإعداد التجريبية، التي تتألف من شبكة خزان الاضطراب والصورة الجسيمات فيلوسيميتري الإعداد (باستخدام كاميرا CCD (PIV) والليزر) 2D عالية السرعة التصوير الجسيمات تتبع الإعداد (باستخدام كاميرا CMOS (PT) وأدت الضوء ). يتم توفير أبعاد التخطيطي في السنتيمتر. تم تعديل هذا الرقم من أنه سيظهر في جاكوبس et al. 7 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: توزيع السرعة والمسارات. (أ) لتوزيع سرعة السوائل لحظية مثال يمثلها ناقلات في بكسل/s مضافين على الدردوريه لحظية تتميز بلون. ناقل الجدول أحمر في الزاوية اليسرى السفلي يمثل 500 بكسل/س. (ب) مثال عن مسارات مرور الزمن (أكثر من 30 PT صور) جسيمات يبلغ قطرها يعني 261 ميكرومتر في ذبذبات شبكة 5 هرتز. تم تعديل لوحة ب هذا الرقم من أنه سيظهر في جاكوبس et al. 7 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
رقم 3: متوسط أفقياً التشكيلات الجانبية الرأسية من RMS التقلبات المضطربة عمودي أفقي (أ) و (ب) لجميع ترددات الشبكة (انظر أسطورة). زيادة السرعات جمهورية جنوب مالوكو المضطربة مع تردد الشبكة. تستند القيم RMS إلى 500 ناقلات الخرائط المحسوبة في جميع المواقع، وثم بعد ذلك متوسط على مدى جميع مواقف الأفقي (50 نقطة) في كل موضع عمودي الحصول على ملفات الرأسي سيظهر. تم تعديل هذا الرقم من أنه سيظهر في جاكوبس et al. 7 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: رسوم بيانية للجسيمات قياس السرعات الأفقية والرأسية في المياه الراكدة وظروف مضطربة (انظر ترجمات) (أ، غادر فريقان) جسيمات رمال (على شكل غير منتظم) طبيعية مع القطر يعني ميكرومتر 261 و (ب، حق اثنين لوحات) جسيمات اصطناعية كروية قطرها يعني ميكرومتر 71- الخطوط في الحبكات الجانبية يناسب الضبابي إلى رسوم بيانية. تم تعديل هذا الرقم من أنه سيظهر في جاكوبس et al. 7 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الرقم 5: تسوية السرعات في ظروف التدفق المضطرب وركود مقابل حجم الجسيمات لعدة أنواع مختلفة من الجزيئات. كما هو موضح في وسيلة الإيضاح، تمثل الألوان أنواع مختلفة من الرواسب: الجزيئات الاصطناعية أو المصنعة، والرمل الصناعي عدة أنواع (120، 100، 35)، والرمال من شاطئ محلية في ميرتل بيتش، واتفاقية استكهولم--انظر الجدول 1 في جاكوبس et al. 7 لمزيد من التفاصيل. تشير الرموز، بما في ذلك دائرة شغلها، مثل ظروف التدفق كتردد الشبكة في وسيلة الإيضاح، حيث الركود تشير إلى الصفر التردد. كما يزيد من تردد الشبكة، زيادة التقلبات السرعة المضطربة RMS. كما تظهر المنحنيات التجريبية ديتريش16 لسرعة تسوية الجسيمات في المياه الراكدة لعدة عوامل مختلفة الشكل. تم تعديل هذا الرقم من أنه سيظهر في جاكوبس et al. 7 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

الأسلوب الموصوفة في هذه الوثيقة غير مكلفة نسبيا ويوفر طريقة بسيطة لقياس مسارات الجسيمات والاضطراب في نفس الوقت بغية دراسة تأثير تدفق على الكينماتيكا الجسيمات. جدير بالذكر أن نذكر أن التدفقات أو الاقتراحات الجسيمات التي ثلاثية الأبعاد بشدة ليست مناسبة تماما لهذا الأسلوب. سيؤدي إلى أخطاء17 في 2D تتبع وتحليل PIV اقتراح الخروج من الطائرة وينبغي تدنية. وبالإضافة إلى ذلك، يتطلب الأسلوب تركيز الجسيمات المتعقبة منخفضة نسبيا (بما يقارب عشرات جسيمات كل صورة حزب العمال). هذا القيد مهم من أجل تحقيق أقصى قدر من الثقة أن يتم تعقب الجسيمات نفسها في صور متتالية. إذا كان عدد كبير جداً من جزيئات موجودة في نفس الوقت في فوف الكاميرا PT، ثم عدم الدقة في حسابات المسار والإنهاء المبكر لمسارات يمكن أن يحدث كذلك زيادة أخطاء في تحليل الصور PIV. وبالتالي فإن المشاكل المرتبطة بأشعة الجسيمات سيكون تحديا لهذا الأسلوب في التحقيق لأنه عادة ما تكون هناك حاجة إلى تركيزات الجسيمات الكبيرة. وأخيراً، أن هذا الأسلوب الأنسب لتتبع الجسيمات الأكبر حجماً (> 50 ميكرومتر). يجب أن يكون هناك فصل كافية بين تتبع PIV (~ 10 ميكرومتر) من الجسيمات التي يتم تعقب. ويقترح عاملاً على الأقل 5.

هي الخطوات الأكثر أهمية في البروتوكول للجسيمات تتبع الخطوات المعايرة، تحديد معدل الإطار، وتركيز الجسيمات في الصور، وضمان ارتفاع نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الصور عالية السرعة. ويتطلب تحليل blob تحويل الصورة تدرج الرمادي إلى صورة أبيض وأسود وتحسب على أساسها مسارات الجسيمات. إذا كان التباين في الصور عالية السرعة مثل أن هذا التحويل أمر صعب، ثم أخطاء في المسارات من المحتمل لأنه سيكون هناك عدم اليقين في تحديد هوية الجسيمات. التشرد الجسيمات غير كافية، كبيرة جداً من التشرد بين الإطارات، أو جزيئات كثيرة جداً يمكن أن يؤدي إلى أخطاء في مسارات الجسيمات و/أو الإنهاء المبكر لمسارات الجسيمات. الاختيار السليم لتتبع، ومحاذاة مفصلة بين الليزر والكاميرا PIV PIV، المعايرة لحجم الصورة، وتحديد الفترة الزمنية بين أزواج الصورة، هي أهم الخطوات لضمان نتيجة جيدة في تحليل الارتباط PIV ، الذي هو المفتاح للحصول على إحصاءات دقيقة عن الاضطراب.

هنا، أظهرنا نتائج هذه التقنية قبل تطبيقها لدراسة سرعة تسوية مختلف أنواع وأحجام جزيئات الرسوبيات في ظروف مضطربة متفاوتة. وتبين النتائج توزيع غاوسي ما يقرب من الجسيمات تسوية سرعات (فضلا عن السرعات الأفقي) الذي يعتبر يعني سرعة تسوية نموذجية لتلك الجسيمات في ظروف مختلفة. إظهار RMS التقلبات المضطربة السرعة زيادة مع تردد الشبكة ك المتوقع7،15 وهي موحدة تقريبا على مدى الارتفاع الرأسي فوف (وبصرف النظر عن حالة الاضطراب منخفضة واحدة-2 هرتز تردد الشبكة، انظر الشكل 3 ). معا، هذه النتائج تثبت أن القياس المتزامن للجسيمات وتدفق الحقل كانت ناجحة. كما أنها تبين أن هناك زيادة بسرعة تسوية مع زيادة7من الاضطرابات، وما يتسق مع نظرية "التتبع السريع" لسلوك الجسيمات تسوية في تدفق المضطرب11.

الاستفادة الطريقة الواردة هنا مثال واحد للتصدي لمسألة علمية تشمل الاضطرابات الجسيمات التفاعل؛ ويمكن استخدام الأسلوب في تخصصات البحوث والتطبيقات الأخرى. بالإضافة إلى دراسة الاتجاهات في جانب معين من سلوك الجسيمات في ظروف التدفق متفاوتة، من الممكن أيضا دراسة سرعات التدفق في حالات معينة في الوقت المناسب على طول المسار من الجسيمات. دمج سرعة تدفق المعلومات مع البيانات مسار الجسيمات يعتمد على مسألة محددة بالتحقيق ويقدم ثروة محتملة للمعلومات المتعلقة بعلم الحركة الجسيمات في التدفقات لمجموعة كبيرة من التطبيقات. وخلاصة القول، أن هذا الأسلوب يوفر حلاً منخفض التكلفة لقياس متزامن لمسارات الجسيمات والاضطرابات ذات الصلة في عدد من التطبيقات حيث تدفق السائل تتفاعل مع الجسيمات الطبيعية أو التي من صنع الإنسان.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

أجزاء من هذا العمل حظيت بالأساس الثاني إلى السادس ومنحة تعزيز المهنية كارولينا الساحلية. كما نود أن نعترف وكورين جاكوبس، ماريك جيندراساك ووليام التاجر للمساعدة في الإعداد التجريبية.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Maxey, M. R. The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields. Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).
  2. Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 759, R3 (2014).
  3. Ha, H. K., Maa, J. P. Y. Effects of suspended sediment concentration and turbulence on settling velocity of cohesive sediment. Geosciences Journal. 14 (2), 163-171 (2010).
  4. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (2007).
  5. Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. 76, e50559 (2013).
  6. Yang, T. S., Shy, S. S. The settling velocity of heavy particles in an aqueous near-isotropic turbulence. Physics of Fluids. 15 (4), 868-880 (2003).
  7. Jacobs, C. N., Merchant, W., Jendrassak, M., Limpasuvan, V., Gurka, R., Hackett, E. E. Flow scales of influence on the settling velocities of particles with varying characteristics. PLoS One. 11 (8), 0159645 (2016).
  8. Murray, S. P. Settling velocities and vertical diffusion of particles in turbulent water. Journal of Geophysical Research. 75 (9), 1647-1654 (1970).
  9. Nielsen, P. Turbulence effects on the settling of suspended particles. Journal of Sedimentary Research. 63 (5), 835-838 (1993).
  10. Kawanisi, K., Shiozaki, R. Turbulent effects on the settling velocity of suspended sediment. Journal of Hydraulic Engineering. 134 (2), 261-266 (2008).
  11. Maxey, M. R., Corrsin, S. Gravitational settling of aerosol particles in randomly oriented cellular flow fields. Journal of the Atmospheric Sciences. 43, 1112-1134 (1986).
  12. Melling, A. Tracer particles and seeding for particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1406-1416 (1997).
  13. Hadad, T., Gurka, R. Effects of particle size, concentration and surface coating on turbulent flow properties obtained using PIV/PTV. Experimental Thermal and Fluid Science. 45, 203-212 (2013).
  14. Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
  15. Shy, S. S., Tang, C. Y., Fann, S. Y. A nearly isotropic turbulence generated by a pair of vibrating grids. Experimental Thermal and Fluid Science. 14 (3), 251-262 (1997).
  16. Dietrich, W. E. Settling velocity of natural particles. Water Resources Research. 18 (6), 1615-1626 (1982).
  17. Huang, H., Dabiri, D., Gharib, M. On errors of digital particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427 (1997).

Tags

الهندسة والعدد 145، فيلوسيميتري صورة الجسيمات، تتبع الجسيمات، والجسيمات تسوية، الاضطراب الشبكة، تقنيات قياس التدفق الضوئي، معالجة الصور
قياس واحد من الاضطراب والجسيمات الكينماتيكا التدفق تقنيات التصوير باستخدام
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hackett, E. E., Gurka, R.… 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter