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Engineering

प्रवाह इमेजिंग तकनीकों का उपयोग करते हुए अशांति और कण कीनेमेटिक्स का युगपत मापन

doi: 10.3791/58036 Published: March 12, 2019

Summary

इस के साथ साथ वर्णित तकनीक एक कम लागत और अपेक्षाकृत सरल तरीका है एक साथ कण कीनेमेटीक्स और कम कण सांद्रता के साथ प्रवाह में अशांति को मापने के लिए प्रदान करता है । अशांति कण छवि velocimetry का उपयोग कर मापा जाता है (piv), और कण कीनेमेटीक्स एक अतिव्यापी क्षेत्र के दृश्य में एक उच्च गति कैमरे के साथ प्राप्त छवियों से गणना कर रहे हैं.

Abstract

वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग क्षेत्रों में कई समस्याओं जैसे contaminants, समुद्री सूक्ष्म जीवों, और/या समुद्र में तलछट, या द्रवित बिस्तर रिएक्टरों और दहन प्रक्रियाओं में अशांत प्रवाह में कणों की कीनेमेटीक्स को समझना शामिल इंजीनियर सिस्टम । ऐसे प्रवाहों में कणों के कीनेमेटिक्स पर अशांति के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, दोनों प्रवाह और कण कीनेमेटिक्स के एक साथ माप की आवश्यकता होती है । गैर दखल, अशांति को मापने के लिए ऑप्टिकल प्रवाह मापन तकनीकों, या ट्रैकिंग कणों के लिए, मौजूद हैं, लेकिन दोनों एक साथ मापने तकनीकों के बीच हस्तक्षेप के कारण चुनौतीपूर्ण हो सकता है. इस के साथ साथ प्रस्तुत विधि एक कम लागत और अपेक्षाकृत सरल विधि प्रवाह और कण कीनेमेटिक्स के एक साथ माप बनाने के लिए प्रदान करता है । प्रवाह का एक क्रॉस सेक्शन माप विमान में वेग के दो घटकों प्रदान करता है जो एक कण छवि velocimetry (piv) तकनीक, का उपयोग कर मापा जाता है. इस तकनीक का इस्तेमाल एक स्पंदित-वरीयता प्राप्त प्रवाह क्षेत्र है कि एक डिजिटल कैमरा द्वारा imaged है की रोशनी के लिए लेजर । कण कीनेमेटिक्स एक साथ एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) रेखा प्रकाश का उपयोग करके imaged हैं जो कि piv फ़ील्ड-व्यू (fov) के साथ ओवरलैप होने वाले प्रवाह के एक समतल क्रॉस सेक्शन को प्रकाशित करता है । लाइन प्रकाश कम पर्याप्त शक्ति का है कि यह piv मापन को प्रभावित नहीं करता है, लेकिन काफी शक्तिशाली ब्याज उच्च गति कैमरे का उपयोग imaged के बड़े कणों रोशन करने के लिए । piv तकनीक से लेजर दालों होते हैं कि उच्च गति छवियों को आसानी से प्रत्येक उच्च गति छवि के अभिव्यक्त किया तीव्रता के स्तर का परीक्षण करके फ़िल्टर कर रहे हैं. इस piv कैमरा फ्रेम दर की है कि साथ उच्च गति कैमरे के अनुरूप के फ्रेम दर बनाने से, उच्च गति समय श्रृंखला में दूषित फ्रेम की संख्या कम किया जा सकता है । तकनीक का मतलब प्रवाह है कि मुख्य रूप से दो आयामी है के लिए उपयुक्त है, कणों कि कम से 5 बार piv सीडिंग tracers का मतलब व्यास होते हैं, और एकाग्रता में कम कर रहे हैं ।

Introduction

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वहां दोनों वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग क्षेत्रों में आवेदनों की एक बड़ी संख्या में मौजूद है कि अशांत प्रवाह में कणों के व्यवहार को शामिल, उदाहरण के लिए, वातावरण में एयरोसौल्स, contaminants और/ सागर में सूक्ष्म जीवों या अवसाद1,2,3। ऐसे अनुप्रयोगों में, यह समझने के लिए ब्याज की अक्सर है कि कैसे कणों अशांति का जवाब है, जो कण कीनेमेटिक्स और तरल पदार्थ गतिशीलता के एक साथ माप की आवश्यकता है.

कण गति को मापने के लिए मौजूदा प्रौद्योगिकियों, नामक कण ट्रैकिंग (पीटी), जो व्यक्तिगत कण trajectories पटरियों, और कण छवि velocimetry की सांख्यिकीय तकनीक4,5 (piv), प्रवाह को मापने के लिए इस्तेमाल किया velocities, दोनों गैर दखल ऑप्टिकल तकनीकों को शामिल । दोनों प्रवाह और कण कीनेमेटिक्स को मापने के लिए इन गैर-दखल ऑप्टिकल तकनीकों का उपयोग करने में मुख्य चुनौती एक साथ अलग रोशनी प्रत्येक इमेजिंग तकनीक है कि दूसरे की माप सटीकता के साथ हस्तक्षेप नहीं कर सकते के लिए आवश्यक है ( उदाहरण के लिए, कण कीनेमेटिक्स को मापने के लिए रोशनी स्रोत द्रव वेग माप और उपाध्यक्ष प्रतिकूल में एक महत्वपूर्ण शोर स्रोत के रूप में कार्य नहीं कर सकते हैं). छवियों के दोनों सेट में छवि कंट्रास्ट विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए पर्याप्त होने की आवश्यकता है । उदाहरण के लिए, पॉइंट छवियों को श्वेत और श्याम छवियों में कनवर्ट किया जाता है ताकि कण स्थिति निर्धारित करने के लिए ब्लॉब विश्लेषण किया जा सके; इस प्रकार, अपर्याप्त इसके विपरीत कण की स्थिति में त्रुटियों की ओर जाता है. piv छवियों में गरीब इसके विपरीत एक कम संकेत करने के लिए शोर अनुपात है कि तरल पदार्थ वेग के आकलन में inaccuracies का कारण होगा मात्रा ।

यहाँ, एक अपेक्षाकृत कम लागत और सरल विधि एक साथ दोनों कण कीनेमेटीक्स और प्रवाह वेग को मापने के लिए वर्णित है. एक उच्च शक्ति के उपयोग के माध्यम से मोनोरंगीन प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) रेखा प्रकाश, जहां रेखा प्रकाश एपर्चर को संदर्भित करती है, और दोहरे सिर वाले उच्च तीव्रता वाले लेज़र, ब्याज के दोनों कणों और प्रवाह क्षेत्र एक ही क्षेत्र में एक साथ imaged हैं । एलईडी की उच्च शक्ति उच्च गति कैमरे द्वारा (ट्रैक) कणों की इमेजिंग के लिए पर्याप्त है, लेकिन piv छवियों को प्रभावित नहीं करता है क्योंकि प्रकाश की तीव्रता piv ट्रेकर्स से बिखरे बहुत कम है । जब दोहरी सिर उच्च तीव्रता लेजर piv छवियों के लिए प्रवाह क्षेत्र illuminates, यह एक कम समय अंतराल पर होता है और इन छवियों को आसानी से पहचान कर रहे है और समय उच्च गति पीटी कैमरा जब वे पंजीकृत है द्वारा प्राप्त श्रृंखला से हटा दिया । piv लेजर दालों उच्च गति छवि में दर्ज (कण ट्रैकिंग के लिए इस्तेमाल किया) समय श्रृंखला एक दूसरे के साथ अनुरूप कर रहे हैं कि फ्रेम अधिग्रहण दर पर दो प्रणालियों नहीं चल रहा द्वारा कम किया जा सकता है. अधिक उंनत setups में, एक बाह्य एक देरी है कि यह सुनिश्चित होता है के साथ पीटी और piv कैमरों ट्रिगर सकता है ऐसा नहीं है । अंत में, देखने के piv क्षेत्र के भीतर ट्रैक किया जा रहा कणों की मात्रा के बारे में सावधानी से विचार (fov), किसी भी piv छवियों के सहसंबंध विश्लेषण में इन ट्रैक कणों द्वारा शुरू की त्रुटियों को पहले से ही समग्र त्रुटि अनुमान द्वारा खाते में ले रहे हैं, पूछताछ खिड़की के भीतर piv tracers के गैर वर्दी आकार वितरण के साथ जुड़े त्रुटियों सहित । पीआईवी सीडिंग ट्रेकर्स के विशाल बहुमत प्रवाह का पालन कर रहे हैं, सटीक प्रवाह वेग अनुमान उपज । इन तकनीकों दोनों कण कीनेमेटीक्स और एक दो आयामी विमान में प्रवाह क्षेत्र के एक साथ प्रत्यक्ष माप सक्षम करें ।

यह तकनीक एक अशांत प्रवाह में कण बसने विशेषताओं का निर्धारण करने के लिए इसे लागू करने के द्वारा प्रदर्शन किया है, कि यांग और शर्मीली6 और याकूब एट अल द्वारा अध्ययन में इस्तेमाल के समान । 7. कण बसने तलछट परिवहन में अंतिम चरण है, जो आम तौर पर तलछट निलंबन, परिवहन, और बसने के होते हैं । सबसे पहले अध्ययनों में संबोधित किया है कि अशांत प्रवाह में बसने कण, या तो कण trajectories या अशांत वेग सीधे नहीं मापा जाता है, लेकिन सैद्धांतिक रूप से inferred या8,9,10मॉडलिंग की । कणों और अशांति के बीच बातचीत पर विवरण अक्सर दोनों एक साथ6,11को मापने में प्रयोगात्मक सीमाओं के कारण सैद्धांतिक और संख्यात्मक मॉडल का उपयोग कर जांच की गई है. हम एक दोलायमान ग्रिड सुविधा है, जहां हम अशांति के साथ कणों और उनके युग्मन के बसने वेग का अध्ययन में एक कण अशांति बातचीत के मामले का अध्ययन प्रस्तुत करते हैं । स्पष्टता के लिए, इसके बाद हम जांच के तहत कणों को "कणों" और "ट्रेकर्स" के रूप में piv तकनीक के लिए इस्तेमाल किया बोने वाले कणों के रूप में उल्लेख करेंगे; इसके अतिरिक्त, हम "कण ट्रैकिंग", "पीटी", या "उच्च गति" कैमरा, जो उपाय "उच्च गति छवियों" और piv विधि के लिए इस्तेमाल किया कैमरा "piv कैमरा" के रूप में कण trajectories के उच्च गति इमेजिंग के लिए इस्तेमाल कैमरे को संदर्भित करेगा, जो उपाय "छवियां" । इस विधि के साथ साथ इस सुविधा के भीतर ब्याज की एक पूर्व निर्धारित क्षेत्र पर कणों कीनेमेटीक्स और द्रव गतिशीलता के एक साथ माप सक्षम बनाता है । प्राप्त डेटा कण-अशांति अन्योन्य क्रिया का द्वि-आयामी वर्णन प्रदान करता है ।

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Protocol

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नोट: सभी कार्मिकों को कक्षा IV लेसरों के सुरक्षित उपयोग और संचालन के साथ-साथ हाथ और बिजली उपकरणों के सुरक्षित उपयोग और संचालन में प्रशिक्षित किया जाना चाहिए ।

1. प्रायोगिक सेट-अप

  1. piv सेटअप
    1. दोहरी सिर लेजर और प्रकाशिकी सेट करें ।
      1. एक ऑप्टिकल प्लेट पर लेजर रखें । सुविधा के तल के लिए संमान के साथ लेजर स्तर (या जमीन के संबंध में अगर यह ऊर्ध्वाधर वेग गुरुत्वाकर्षण त्वरण के साथ गठबंधन किया है वांछित है) और अनुलंब 2d विमान के केंद्र के साथ लेजर बीम संरेखित करने के लिए imaged ।
      2. यह ऑप्टिकल प्लेट को सुरक्षित करके लेजर बीम के रास्ते में बेलनाकार लेंस रखें । लेंस एक 2d विमान में बीम के रूप में होगा । 2d विमान imaged के आकार लेंस और क्षेत्र से दूरी की फोकल लंबाई पर निर्भर करेगा जांच की जाएगी । लेंस और दूरी को समायोजित करें जब तक कि क्षेत्र प्रबुद्ध विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए पर्याप्त रूप से बड़ा है ।
      3. बेलनाकार लेंस और 2d छवि विमान के बीच ऑप्टिकल प्लेट पर एक गोलाकार लेंस रखें । गोलाकार और बेलनाकार लेंस और गोलाकार लेंस की फोकल लंबाई के बीच की दूरी 2d विमान प्रबुद्ध (प्रकाश चादर) की मोटाई निर्धारित करेगा । इस दूरी को समायोजित करें और लेंस की फोकल लंबाई जब तक प्रकाश चादर लगभग 0.5 -1 मिमी मोटी है ।
    2. स्थिति और piv कैमरा के प्रारंभिक अंशांकन प्रदर्शन ।
      1. piv कैमरा करने के लिए एक लेंस देते हैं, मुक्त/सतत मोड में piv कैमरा पर बारी है, और सजाये piv कैमरा ध्यान केंद्रित । इमेजिंग सेंसर द्वारा पर्याप्त प्रकाश प्राप्त करने की अनुमति देने के लिए piv कैमरा के f-स्टॉप को समायोजित करें; यह f-स्टॉप सेटिंग अलग हो सकता है जब लेजर आधारित रोशनी बनाम कमरे के सफेद प्रकाश का उपयोग कर ।
        1. लेंस और दूरी को समायोजित करें जब तक कि छवि का आकार ब्याज के क्षेत्र का पालन करने के लिए पर्याप्त नहीं है । लेंस का चयन और piv कैमरा और प्रकाश चादर के बीच की दूरी piv कैमरा छवि के भौतिक आकार निर्धारित करता है । आदर्श रूप से, छवि के आकार से छोटा होना चाहिए (या समान) 1.1.1 में प्रकाश शीट सेटअप के आकार ।
      2. सुनिश्चित करें कि piv कैमरा प्रकाश चादर के लम्बवत है और मोटे कद को समायोजित इस तरह कि ब्याज के क्षेत्र (प्रकाश शीट सीमाओं द्वारा परिभाषित-1.1.1 कदम देखें) piv है कैमरे के क्षेत्र में देखने (fov) के भीतर है ।
      3. स्तर के प्रवाह की सुविधा के नीचे के संबंध में piv कैमरा (या जमीन के संबंध में अगर यह ऊर्ध्वाधर वेग गुरुत्वाकर्षण त्वरण के साथ गठबंधन किया है वांछित है) । यह अत्यंत महत्व का है कि piv कैमरा प्रकाश चादर के लंबवत् ठीक हो, तो यह अच्छी तरह से जांच की जानी चाहिए ।
      4. piv कैमरा बंद करें और लेजर पर बारी । एक अंशांकन लक्ष्य प्लेस और प्रकाश चादर के केंद्र के साथ संरेखित करें, तो लेजर बंद कर देते हैं ।
        नोट: अंशांकन लक्ष्य एक दो आयामी थाली है (सामान्यतः कठोरता प्रयोजनों के लिए धातु से बना), एकाधिक मार्कर युक्त (उदाहरण के लिए, अंक या पार) एक नियमित रूप से स्थान पर ग्रिड गठन में संरेखित. थाली आमतौर पर सफेद मार्कर के साथ काले रंग की है । मार्कर के बीच ज्ञात दूरी भौतिक इकाइयों और पिक्सल के बीच एक रूपांतरण कारक के आकलन में सक्षम बनाता है ।
      5. piv कैमरा वापस चालू करें और अंशांकन लक्ष्य पर piv कैमरा के ध्यान को परिष्कृत. piv कैमरा का पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन यह निर्धारित करेगा कि क्षेत्र को अंतरिक्ष में कितनी अच्छी तरह सुलझाया जा सकता है; इस प्रकार, यह विचार किया जाना चाहिए (इन बातों पर विवरण के लिए कदम 2.1.1 और 2.1.4 देखें) ।
      6. एक छवि पर कब्जा । पुष्टि piv कैमरा अंशांकन लक्ष्य की एक पंक्ति भर में ऊंचाई के रूप में अच्छी तरह से है कि अंशांकन लक्ष्य के एक स्तंभ के साथ क्षैतिज स्थिति के अनुरूप है सुनिश्चित करने के द्वारा स्तर है. छवि विरूपण की राशि का मूल्यांकन करने के क्रम में (पिक्सल में) छवि के प्रत्येक कोने में अंशांकन मार्कर के आकार की जाँच करें, जो कम किया जाना चाहिए. चार कोनों में से प्रत्येक में अंशांकन मार्कर के आकार में अंतर आदर्श रूप से शून्य होना चाहिए; लेकिन 1 पिक्सेल से अधिक अलग नहीं होना चाहिए ।
    3. प्रवाह के लिए piv ट्रेकर्स जोड़ें ।
      1. का चयन करें उपयुक्त tracers कि तटस्थ (तरल पदार्थ के रूप में समान घनत्व), रासायनिक निष्क्रिय, उचित आकार और आकार (गोलाकार और छोटे प्रवाह का पालन करने के लिए पर्याप्त) है और तरल पदार्थ के सापेक्ष अपवर्तन के एक उच्च सूचकांक है12,13 .
        नोट: प्रस्तुत मामले अध्ययन में जहां द्रव जल है, हम खोखले कांच क्षेत्रों का इस्तेमाल किया है एक माध्य व्यास के साथ 10 μm और घनत्व के १.१ g/
      2. प्रवाह में piv ट्रेकर्स परिचय और सुविधा चलाने (ग्रिड दोलन) जब तक वे अच्छी तरह से मिश्रित कर रहे हैं । संवर्द्धित tracers परिचय और छवि गुणवत्ता और इसके भीतर tracers घनत्व के स्तर का मूल्यांकन.
        नोट: अनुरेखक ग्रे स्तर तीव्रता और पृष्ठभूमि तीव्रता के बीच एक बड़ा जुदाई इष्टतम है ।
        1. लेजर पर मोड़ और मुक्त/सतत मोड में छवियों का संग्रह करके मूल्यांकन । ट्रेकर्स की छवि में एकाग्रता सघन होनी चाहिए लेकिन धधकपन4,14नहीं होना चाहिए । एकाग्रता के स्तर का चयन करने में वांछित सहसंबंध खिड़की के आकार पर विचार करें, के रूप में यह पार सहसंबंध विश्लेषण के लिए piv छवि जोड़े में 8-10 स्पष्ट कण जोड़े के आसपास का सुझाव दिया है4 (2.1.1 कदम देखें) ।
    4. piv पैरामीटर्स सेट करें । piv मापदंडों piv कैमरा फ्रेम दर से मिलकर बनता है (जो लेजर दोहरी पल्स पुनरावृत्ति दर के रूप में ही है), छवि जोड़े के बीच समय (यानी, लगातार (दोहरी) लेजर दालों के बीच समय), और छवि जोड़े की संख्या इकट्ठा करने के लिए. इन सेटिंग्स का शोधन चरण 1.1.5 से परिणामों की समीक्षा के बाद की आवश्यकता हो सकती है ।
      1. piv कैमरा और लेज़र (फ़्रेम दर) का समय निर्धारित करें । ये नमूना वेग वेक्टर नक्शे के समय संकल्प का निर्धारण करते हैं और संभव के रूप में उच्च के रूप में होना चाहिए (piv कैमरा, लेजर, या हार्ड डिस्क स्थान की सीमा) अप करने के लिए आधा प्रवाह के छोटे से समय पैमाने.
      2. लगातार piv छवियों (यानी, एक piv छवि जोड़ी) के बीच समय निर्धारित करें ।
        1. सुविधा और पूछताछ खिड़कियों के आकार में औसत प्रवाह की गति के आधार पर लगातार piv छवियों के बीच समय निर्धारित करें (2.1.1 देखें) । ट्रेकर्स लगातार छवियों के बीच बीता समय में पूछताछ खिड़की के आकार के लगभग 1/4-1/2 विस्थापित है । लगातार छवियों के बीच समय भी दो लेजर दालों के बीच समय निर्धारित करता है ।
        2. पहले पल्स को परिभाषित करने के लिए कम समय आग के बाद piv कैमरा के शटर खोला है । यदि एक क्रॉस-सहसंबंध piv कैमरा का उपयोग कर, piv कैमरा अपने बफर स्मृति में छवि भंडार और फिर से शटर फिर से खुलता है ।
        3. समय सेटअप के साथ साथ दूसरी लेजर पल्स आग यहां । एक बार दूसरा पल्स आग, कैमरे के शटर फिर से बंद हो जाएगा, फ्रेम धरनेवाला के लिए दोनों छवियों को भेजने (या पर बोर्ड piv कैमरा स्मृति) ।
        4. पहली पल्स छवि जोड़ी और पहली पल्स कि piv कैमरा फ़्रेम दर द्वारा बाद में छवि जोड़ी की पहली छवि के अधिग्रहण से चलाता है की पहली छवि के अधिग्रहण ट्रिगर के बीच समय निर्धारित करें (1.1.4.1 देखें).
      3. इकट्ठा करने के लिए छवि जोड़े की संख्या निर्धारित करें । संग्रहीत करने के लिए छवि जोड़े की संख्या सांख्यिकीय प्रवाह गुण है, जो प्रयोगात्मक सेटअप पर निर्भर करता है, लेकिन छवि जोड़े के हजारों करने के लिए सैकड़ों की सीमा में आम तौर पर है की अभिसरण सुनिश्चित करने के लिए चुना जाना चाहिए.
    5. piv सेटअप का परीक्षण ।
      1. दोनों लेजर सिर के लिए बाहरी ट्रिगर मोड के लिए लेजर सेट और लेजर शक्ति में वृद्धि । कमरे में पूरी तरह से अंधा ।
      2. एक दो सेकंड के लिए सिंक्रनाइज़ निरंतर मोड में डेटा संग्रह आरंभ.
      3. डेटा संग्रह रोकें ।
      4. क्रॉस सहसंबंधित छवि जोड़े एकत्र (2.1.1 देखें) ।
        1. यदि अच्छा संकेत गुजर वैक्टर का प्रतिशत-शोर अनुपात (उच्चतम पार सहसंबंध चोटी के दूसरे उच्चतम पार सहसंबंध चोटी के अनुपात-2.1.1 देखें) ऊपरी ९०% रेंज में नहीं है या औसत ट्रेसर विस्थापितों में पूछताछ खिड़कियों के भीतर है नहीं लगभग 0.25-0.5 पूछताछ विंडो का आकार, दोहराएँ, और यह प्राप्त होने तक अनुभाग १.१ में दिए गए चरणों के सही कार्यान्वयन की जाँच करें । एक बार इन मूल्यों को प्राप्त कर रहे हैं, (रोक ग्रिड दोलन) सुविधा बंद करो ।
  2. सेटअप 2d उच्च गति कण ट्रैकिंग
    1. मोनोक्रोमेटिक एलईडी लाइन लाइट की स्थिति ।
      1. एलईडी लाइन प्रकाश चुनें कि यह जांच के तहत कण illuminates (जैसे, तलछट कणों) बड़े backscattered तीव्रता के साथ (तरल पदार्थ के संबंध में कण के अपवर्तन के सूचकांक में बड़ा अंतर) । यह भी लगातार या एक दर है कि पीटी कैमरा के साथ सिंक्रनाइज़ किया जा सकता है पर रोशन करने में सक्षम होना चाहिए ।
      2. आदर्श piv प्रकाश चादर मोटाई से मेल करने के लिए लाइन प्रकाश की मोटाई को कम करने के लिए, लेकिन बाहर के कारण किसी भी अस्पष्टता को कम करने के लिए piv प्रकाश चादर मोटाई से अधिक से अधिक 10 गुना मोटा नहीं होना करने के लिए विमान कण गति.
      3. piv fov को मिलाने या शामिल करने के लिए LED लाइन लाइट की चौड़ाई को आकार दें । प्रकाश लेजर द्वारा उत्पन्न शीट के लंबवत् एलईडी को माउंट करें ताकि प्रकाश रुकावट के कोई मुद्दे न हों (उदाहरण के लिए, साइड से पीव लाइट शीट और नीचे से एलईडी) । चित्रा 1देखें ।
      4. एलईडी लाइन प्रकाश ऐसी है कि piv प्रकाश चादर मोटाई एलईडी लाइन प्रकाश मोटाई के भीतर केंद्रित है संरेखित करें । केवल इस संरेखण को प्राप्त करने के लिए एलईडी प्रकाश की स्थिति को समायोजित करें । piv लाइट शीट के आंदोलन की धारा १.१ में दोहराने चरणों की आवश्यकता होगी ।
    2. स्थिति और उच्च गति पीटी कैमरा के प्रारंभिक अंशांकन प्रदर्शन ।
      1. पीटी कैमरा करने के लिए एक लेंस संलग्न, नि: शुल्क/सतत/लाइव मोड में पीटी कैमरा पर बारी है, और सजाये पीटी कैमरा ध्यान केंद्रित । अगर जरूरत है, पीटी कैमरा एफ बंद समायोजित करने के लिए पर्याप्त प्रकाश पीटी कैमरा के इमेजिंग सेंसर द्वारा प्राप्त होने की अनुमति; इस f-स्टॉप सेटिंग अलग हो सकता है जब कमरे के सफेद प्रकाश बनाम एलईडी आधारित रोशनी का उपयोग कर । लेंस का चयन और कैमरा और एलईडी लाइन प्रकाश के बीच की दूरी पीटी कैमरा छवि के भौतिक आकार निर्धारित करता है । आदर्श रूप में, पीटी कैमरा fov से छोटा हो जाएगा (या इसी तरह) एलईडी द्वारा प्रबुद्ध क्षेत्र के आकार ।
      2. सुनिश्चित करें कि उच्च गति कैमरा लाइन प्रकाश के लिए सीधा है और मोटे रूप से ऊंचाई को समायोजित इतना है कि ब्याज के क्षेत्र पीटी कैमरा fov और piv fov के समावेशी भीतर है ।
      3. स्तर के प्रवाह की सुविधा के नीचे करने के लिए संमान के साथ पीटी कैमरा (या जमीन के संबंध में अगर यह ऊर्ध्वाधर वेग गुरुत्वाकर्षण त्वरण के साथ गठबंधन किया है वांछित है) । यह सबसे अधिक महत्व का है कि पीटी कैमरा लाइन प्रकाश द्वारा प्रबुद्ध विमान के लिए ठीक सीधा हो, तो यह अच्छी तरह से जाँच की जानी चाहिए.
      4. पीटी कैमरा बंद करें, लाइन प्रकाश पर बारी, और लाइन प्रकाश के केंद्र के साथ गठबंधन एक अंशांकन लक्ष्य जगह है, तो लाइन प्रकाश बंद कर देते हैं ।
      5. पीटी कैमरा को वापस चालू करें और अंशांकन लक्ष्य पर अपना ध्यान परिष्कृत कर दें । इसके अलावा लेंस और दूरी को परिष्कृत जब तक छवि के आकार के हित के क्षेत्र का निरीक्षण करने के लिए पर्याप्त है और piv fov के समावेशी ।
      6. लेंस और दूरी चुनें ऐसी है कि उच्च गति पीटी कैमरा fov piv fov से बड़ा है । यह व्यवस्था सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि piv कैमरा और उच्च गति पीटी कैमरा एक दूसरे को शारीरिक रूप से ब्लॉक नहीं है ।
      7. पीटी और piv कैमरों खड़ी (खड़ी) की व्यवस्था या एक दूसरे के पक्ष में ऑफसेट । यह उच्च गति पीटी fov और piv fov के एक कोने संरेखित करने के लिए सुविधाजनक हो सकता है. पॉइंट कैमरा का पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन यह निर्धारित करेगा कि क्षेत्र को अंतरिक्ष में कितनी अच्छी तरह सुलझाया जा सकता है; इस प्रकार, यह विचार किया जाना चाहिए । भौतिक इकाइयों और पिक्सेल के बीच कनवर्ज़न फ़ैक्टर एक पिक्सेल द्वारा कवर की गई भौतिक दूरी निर्धारित करता है । कणों लगातार छवियों के बीच लगभग 3-10 पिक्सल विस्थापित करना चाहिए, और यदि यह विस्थापन बहुत बड़ा है (या छोटा) क्योंकि fov बहुत छोटा है (या बहुत बड़ा) या पिक्सल की संख्या बहुत बड़ी है (या बहुत छोटा) तो कणों एक आदर्श विस्थापित नहीं हो सकता है छवियों के बीच पिक्सेल की संख्या (1.2.3.2 भी देखें) ।
      8. जांच के लिए कणों का चयन करें ।
        1. पीआईवी सीडिंग ट्रेकर्स की तुलना में बहुत अधिक ब्याज के कणों का उपयोग करें ताकि जांच कणों और पीआईवी ट्रेकर्स के बीच पर्याप्त रूप से अंतर हो सके । हम piv tracers से लगभग 5 गुना बड़ा कणों के साथ सफल रहा है और इस कम सीमा पर विचार करें, लेकिन सीमा कण अपवर्तनांक और प्रकाश स्रोतों पर निर्भर कर सकते हैं । जांच कण के आसपास उच्च गति कैमरा छवि में क्षेत्र में 4-5 पिक्सल शामिल करना चाहिए । इसलिए, जांच की गई कणों का आकार piv छवियों से उच्च-गति छवि के लिए कम पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन के लिए अनुमति दे सकता है ।
        2. इस चरण को प्राप्त करने के लिए आवश्यक के रूप में 1.2.2.1-1.2.2.5 चरण दोहराएँ ।
      9. अंशांकन लक्ष्य की एक छवि प्राप्त. पुष्टि करें कि PT कैमरा अंशांकन लक्ष्य की एक पंक्ति भर में ऊंचाई संगत है और अंशांकन लक्ष्य के एक स्तंभ के साथ क्षैतिज स्थिति संगत है सुनिश्चित करने के द्वारा स्तर है । इसके अलावा छवि विरूपण की राशि का मूल्यांकन करने के लिए छवि के प्रत्येक कोने में अंशांकन मार्कर के आकार की जाँच करें, जो कम किया जाना चाहिए (से अधिक 1 पिक्सेल से अलग नहीं).
    3. उच्च गति कैमरा मापदंडों सेट करें । उच्च गति कैमरा मापदंडों पीटी कैमरा के फ्रेम दर से मिलकर बनता है (इस मामले में भी जोखिम समय की स्थापना), पीटी कैमरा संकल्प (पूर्ण फ्रेम या फ्रेम दर बढ़ाने के लिए पिक्सेल बिनिंग या अधिग्रहण समय का विस्तार), और छवियों की संख्या एकत्र.
      1. (यानी, अधिग्रहण समय की लंबाई) एकत्र करने के लिए छवियों की संख्या निर्धारित करें । एकत्र की गई छवियों की संख्या, मापा जा सकता है कि अधिक trajectories-अब अधिग्रहण समय मापा कण trajectories की संख्या को प्रभावित करता है ।
      2. फ्रेम दर (और जोखिम समय) और उच्च गति पीटी कैमरा के संकल्प सेट करें ।
        1. उच्च-गति छवि प्राप्ति दर को piv फ़्रेम दर के समान या एकाधिक सेट करने से बचें. प्रवाह में कणों की अनुमानित गति के आधार पर फ्रेम दर निर्धारित करें । कणों से अधिक 1 या 2 पिक्सल क्रम में दो लगातार छवियों में अतिव्यापी कण पदों के उदाहरणों से बचने के लिए अस्त होना चाहिए; हालांकि, एक बड़े अंतर (> 10 पिक्सल) लगातार छवियों में एक ही कण की पहचान करने में कम विश्वास में परिणाम होगा, कण प्रक्षेपवक्र की हानि उपज (2.2.4 देखें). इस श्रेणी (3-10 पिक्सेल) में पार्टिकल डिस्प्लेसमेंट प्राप्त करने के लिए पॉइंट कैमरा रिज़ॉल्यूशन और फ़्रेम दर समायोजित करें ।
    4. उच्च गति कैमरा सेटअप का परीक्षण ।
      1. एलईडी लाइन प्रकाश पर बारी और अंयथा कमरे में अंधा कर रही है ।
      2. सुविधा (ग्रिड दोलायमान शुरू) भागो ।
      3. प्रवाह में कणों का परिचय और कुछ फ्रेम पर कब्जा करने के बाद कणों उच्च गति कैमरे के fov में दिखाई देते हैं । लगातार फ़्रेंस ओवरले और मूल्यांकन करें कि क्या लगातार फ़्रेम में कणों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है ।
        1. जांच करें कि उच्च गति कैमरे के fov कणों की शुरूआत पर्याप्त fov से दूर होता है कि प्रवेश प्रभाव नगण्य हैं, कि कणों के घनत्व पर्याप्त विरल है कि वहां कणों के ओवरलैप के भीतर अक्सर उदाहरण नहीं है उच्च गति छवि fov, और है कि कण गति विमान में मुख्य रूप से imaged ताकि कणों कैमरा fov में आंख से ट्रेस कर रहे है/
        2. यदि इन परिणामों को प्राप्त नहीं कर रहे हैं, तो १.२ दोहराएं जब तक यह हासिल की है । एक बार हासिल की, सुविधा (बंद करो ग्रिड दोलन) बंद करो ।
  3. संयुक्त अंतिम अंशांकन
    1. दोनों piv और पीटी कैमरा fovs में अंशांकन लक्ष्य की स्थिति और दोनों एलईडी और piv प्रकाश चादरें के भीतर । अंशांकन लक्ष्य दोनों उच्च गति पीटी कैमरा और piv कैमरा द्वारा देखा जा सकता होना चाहिए. सत्यापित करें कि दोनों कैमरों फोकस में हैं । यदि एक ध्यान में नहीं है, तो कदम १.१ और १.२ piv कैमरा और उच्च गति कैमरा, क्रमशः के लिए दोहराया जा करने की आवश्यकता है ।
    2. सुनिश्चित करें कि अंशांकन लक्ष्य है कि उच्च गति कैमरा fov और piv कैमरा fov दोनों द्वारा देखा जा सकता है पर कम से कम एक अद्वितीय चिह्न मौजूद है । छवियों के बीच स्थानिक पंजीकरण के प्रयोजनों के लिए भौतिक अंतरिक्ष में इस अनूठी छाप की स्थिति को मापने और निरूपित करता है ।
    3. उच्च गति पीटी कैमरा द्वारा अंशांकन लक्ष्य की एक छवि को कैप्चरिंग और बचत करके हाई-स्पीड कैमरा कैलिब्रेट करें । पीआईवी कैमरा उसी तरह जांचना ।
    4. अंशांकन लक्ष्य को द्रव से निकालें ।
  4. डेटा संग्रह
    1. (~ 20 मिनट) स्थिर स्थिति तक पहुँच जाता है जब तक सुविधा (दोलन ग्रिड) चलाते हैं ।
    2. कमरे darkening द्वारा प्रकाश की स्थिति सेट और एलईडी प्रकाश पर बदल रहा है । तरल पदार्थ में कणों जोड़ें ।
    3. तुल्यकालिक दोनों प्रणालियों के लिए छवि अधिग्रहण शुरू जब पहली कणों उच्च गति पीटी कैमरा fov (लाइव मोड में) में दिखाई देते हैं ।
    4. उच्च गति पीटी कैमरा के लिए रैम से उच्च गति छवियों को डाउनलोड करने और piv कैमरा द्वारा अधिग्रहीत छवियों को बचाने के ।
    5. सुविधा को रोकें (ग्रिड दोलन रोकें) ।

2. छवि विश्लेषण

नोट: वहां कई सॉफ्टवेयर दोनों piv और पीटी छवि विश्लेषण प्रदर्शन उपलब्ध संकुल-दोनों वाणिज्यिक और फ्रीवेयर हैं । piv विश्लेषण के लिए, फ्रीवेयर कोड्स openpiv (http://www.openpiv.net/) और matpiv (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html) कर रहे हैं । वाणिज्यिक कंपनियों को भी piv विश्लेषण सॉफ्टवेयर बेचते हैं । पीटी विश्लेषण के लिए, कई कण ट्रैकिंग कोड दोनों 3d और 2d जैसे कण ट्रैकर (https://omictools.com/particle-tracker-tool) में मौजूद हैं; विभिन्न सॉफ्टवेयर प्लेटफार्मों की एक पूरी लिस्टिंग यहाँ पाया जा सकता है: https://omictools.com/particle-tracking-category या http://tacaswell.github.io/tracking/html/. अधिकांश विश्लेषण संकुल, जैसे, matlab, उपकरण है कि यह अपेक्षाकृत अपने ट्रैकिंग कोड को लागू करने के लिए आसान बनाने में बनाया है । इस अध्ययन में प्रस्तुत परिणामों के लिए, openpiv, tsi अंतर्दृष्टि, और matlab कस्टम-लिखा ट्रैकिंग कोड का इस्तेमाल किया गया ।

  1. piv छवियों का विश्लेषण
    1. पूछताछ खिड़कियों के एक ग्रिड में प्रत्येक छवि को विभाजित (उदाहरण के लिए, ५०% ओवरलैप के साथ 64x64 पिक्सल2 ), जिस पर प्रत्येक विंडो में औसत प्रवाह वेग क्रॉस-सहसंबंधित दो लगातार piv छवियों (यानी, piv छवि जोड़ी) के रूप में गणना की है piv सेटअप, धारा 1.1.4.2 में चर्चा की ।
      नोट: प्रत्येक विंडो में पीक सहसंबंध के बीच की दूरी और विंडो का केंद्र उस विंडो में औसत अनुसरक विस्थापन को परिभाषित करता है । एक बार कैलिब्रेटेड, इस विस्थापन लगातार piv छवियों के बीच समय से विभाजित (piv छवि जोड़ी-कदम 1.1.4.2 देखें) प्रत्येक स्थान4पर वेग के दो विमान घटकों में पैदावार का अनुमान है । सामूहिक रूप से, इसे वेग सदिश मानचित्र कहा जाता है । पूछताछ खिड़की का आकार प्रवाह क्षेत्र का संकल्प piv विश्लेषण द्वारा उत्पादित के रूप में निर्धारित करता है इस दूरी का आधा गणना वेग सदिश रिक्ति है. भौतिक इकाई कनवर्ज़न फ़ैक्टर करने के लिए पिक्सेल के साथ यह रिक्ति मापा गया प्रवाह फ़ील्ड का रिज़ॉल्यूशन सेट करता है । इसके अतिरिक्त, गलत वैक्टर की कम संख्या प्राप्त करने के लिए (2.1.2 देखें), ट्रेकर्स की एक पर्याप्त संख्या प्रत्येक विंडो में मौजूद होना चाहिए (कम से 8-10 ट्रेकर्स) और वे के बारे में अधिक से अधिक नहीं होना चाहिए 1/4 करने के लिए खिड़की के आकार का 1/2.
    2. वेग वेक्टर मैप्स से नकली परिणाम को दूर करने के लिए क्रॉस-सहसंबंध के फ़िल्टर परिणाम.
      1. सिग्नल-से-नॉइज़ (snr) फ़िल्टर लागू करें । १.५ का अनुपात और इसके बाद के संस्करण की आवश्यकता आम तौर पर प्रयोग किया जाता है (यह संख्या विशिष्ट प्रयोगात्मक शर्तों के आधार पर बदल सकते हैं).
        1. snr सेट करने के लिए या तो पहली और पूछताछ खिड़की में दूसरे उच्चतम सहसंबंध चोटी या विशिष्ट पूछताछ खिड़की पर पहली और औसत सहसंबंध के बीच अनुपात के बीच अनुपात । प्रयोगों के प्रत्येक सेट के लिए snr अनुपात का अनुकूलन. इस snr जांच विफल वैक्टर की संख्या 10% से अधिक नहीं होना चाहिए ।
      2. फिल्टर शेष गलत वैक्टर (कदम 2.1.2.2 और 2.1.2.3 के बीच 5% से अधिक नहीं) एक वैश्विक फिल्टर है कि वेग के नक्शे के साथ प्रत्येक व्यक्ति वेग वेक्टर तुलना का उपयोग कर प्लस या शून्य से तीन मानक विचलन नक्शा velocities के, और समाप्त इस रेंज के बाहर वेग ।
      3. फ़िल्टर शेष गलत वैक्टर (कदम 2.1.2.2 और 2.1.2.3 के बीच 5% से अधिक नहीं) एक स्थानीय फिल्टर है कि आसपास के वेग वैक्टर के एक पड़ोस के औसत वेग के साथ प्रत्येक व्यक्ति वेग वेक्टर तुलना, आम तौर पर 5 एक्स आकार में 5 x का उपयोग कर ।
        नोट: औसत का उपयोग करें और पड़ोस के आकार का निर्धारण विशिष्ट प्रयोगात्मक शर्तों के आधार पर बदल सकते हैं ।
    3. गलत वैक्टर की जगह में पाया दुओं वैक्टर के साथ 2.1.2 चरण (या पड़ोस माध्य) आसपास पड़ोस वैक्टर से जानकारी का उपयोग कर, आम तौर पर आकार 5 x 5 की ।
    4. दूरी-से-पिक्सेल रूपांतरण अनुपात निर्धारित करें. परीक्षण करें कि कितने पिक्सेल एक विशिष्ट दूरी पर मार्कर के बीच दूरी का उपयोग करते हुए अंशांकन लक्ष्य imaged 1.3.3 चरण में अनुवाद ।
    5. वैक्टर जांचना । कदम से इस रूपांतरण कारक का उपयोग कर शारीरिक इकाइयों को 2.1.1-2.1.3 चरणों में गणना वैक्टर परिवर्तित चरण 2.1.4 और चरण 1.1.4.2 में सेट छवि जोड़े के बीच का समय; पिक्सल में विस्थापनों को भौतिक इकाइयों के वेग में परिवर्तित करना.
  2. उच्च गति छवियों का विश्लेषण
    1. जिसमें piv लेजर प्रवाह रोशन किया गया था उच्च गति छवि समय श्रृंखला से किसी भी फ्रेम निकालें ।
      1. प्राप्त प्रत्येक फ़्रेम के तीव्रता मानों का योग करना । फ्रेम जिसमें piv लेजर चमकता था एक अभिव्यक्त किया तीव्रता है कि piv छवि में सक्रिय लेजर के बिना उन लोगों की तुलना में बहुत बड़ा है । अभिव्यक्त किया तीव्रता पर एक सीमा के आधार पर, समय श्रृंखला है कि सीमा से अधिक एक अभिव्यक्त किया तीव्रता है से किसी भी चित्र को हटा दें । जिसके लिए यह होती है फ़्रेंस की मात्रा को ंयूनतम करने में मार्गदर्शन के लिए अनुभाग 1.2.3.2 देखें ।
    2. शेष ग्रेस्केल छवियों को एक थ्रेशोल्ड का उपयोग करके बाइनरी छवियों में कनवर्ट करें । इस मामले में, हम है otsu विधि का उपयोग करने के लिए दहलीज है कि सफेद और पृष्ठभूमि काले करने के लिए कणों धर्मांतरित निर्धारित करते हैं ।
    3. प्रत्येक छवि के लिए ब्लॉब विश्लेषण निष्पादित करें ।
      1. श्वेत और श्याम छवि में कनेक्टिविटी के क्षेत्रों की पहचान करें-इसके बाद ऑब्जेक्ट के रूप में संदर्भित किया जाता है । सामांयतया, एक कनेक्टिविटी 8 पिक्सेल का उपयोग किया जाता है ।
      2. ऐसे किसी भी ऑब्जेक्ट को निकालें जो क्षेत्र में बहुत छोटे हैं (अर्थात्, छवि में पिक्सेल ऑब्जेक्ट की संख्या का उपभोग करता है) छवि में पिक्सेल में विशिष्ट कण आकार से, आमतौर पर लगभग 3 पिक्सेल ।
    4. कण प्रक्षेपपथ की गणना करें ।
      1. पहली छवि में सभी (शेष) वस्तुओं की केंद्रक की पहचान करें ।
      2. प्रत्येक ऑब्जेक्ट का पता लगाने के लिए, पूर्व छवि में केंद्रक के पास किसी क्षेत्र में खोज कर एक ही ऑब्जेक्ट के लिए क्रमिक छवि खोजें । यदि खोज विंडो के भीतर केवल एक कण/ऑब्जेक्ट पाया जाता है, तो प्रक्षेपवक्र जारी रखें, और उस छवि में केंद्रक का स्थान रिकॉर्ड करें; अंयथा, प्रक्षेपवक्र समाप्त ।
        नोट: एक खोज क्षेत्र के बहुत बड़े कण के बाद की छवि में गलत पहचान में परिणाम कर सकते है ताकि खोज क्षेत्र के रूप में संभव के रूप में ज्यादा के रूप में परिणाम में पूर्वाग्रह के कारण के बिना विवश होना चाहिए । यदि क्रमिक फ़्रेम में ऑब्जेक्ट स्थिति खोज विंडो की अधिकतम श्रेणी पर अक्सर है, तो खोज विंडो पर्याप्त बड़ी नहीं है ।
      3. दोहराएँ चरण 2.2.4.2 जब तक कि ऑब्जेक्ट अब बाद के छवि में ढूँढा नहीं जा सकता है । जब ऐसा होता है, तो प्रक्षेपवक्र समाप्त माना जाता है ।
        नोट: कण पटरियों के बहुमत लगातार कम कर रहे हैं (उदाहरण के लिए, से कम 5 फ्रेम), तो यह परिणाम है कि वहाँ महत्वपूर्ण तीन आयामी गति है और यह है कि इस विधि उपयुक्त नहीं है इंगित कर सकता है. अंगूठे के एक नियम के रूप में, कण ट्रैक कण पर नज़र रखने fov14के कम से 1/4 होना चाहिए; लेकिन विशेष रूप से ट्रैक लंबाई की आवश्यकता आवेदन के साथ भिन्न हो सकते हैं ।
      4. फ़्रेम 1 से पहले से ट्रैक नहीं किया जा रहा किसी भी ऑब्जेक्ट के लिए दूसरे फ़्रेम के साथ प्रारंभ 2.2.4.1-2.2.4.3 चरणों को दोहराएं । सभी संभावित प्रारंभ फ़्रेंस के लिए इस प्रक्रिया को दोहराएं । परिणाम पूरे प्रयोग में पार्टिकल प्रक्षेपयों की एक लाइब्रेरी होगी ।

3. विश्लेषण

  1. पॉइंट के लिए उपयोग की जाने वाली उच्च-गति छवियों से प्राप्त स्थिति trajectories से कण वेग और एक्सिलशंस की गणना करें ।
    1. हर दिशा में वेग की गणना करने के लिए (चरण 1.2.3.2 में फ्रेम दर सेट के आधार पर) समय में २.२ में अनुपालन कण trajectories में अंतर. इस समय भेदभाव परिणाम पिक्सल प्रति इकाई समय में कणों की lagrangian वेग के अनुमान में ।
      नोट: यह कदम केवल यदि कणों की वेग जानकारी वांछित है प्रदर्शन करने की जरूरत है ।
    2. प्रति इकाई समय से दूरी के लिए पिक्सल प्रति यूनिट समय से वेग परिवर्तित करके वेग जांचना । रूपांतरण कारक (पिक्सेल प्रति दूरी) अंशांकन लक्ष्य 1.3.3 कदम में imaged पर मार्कर के बीच की दूरी का परीक्षण करके प्राप्त किया जा सकता है ।
  2. प्रक्षुब्ध मात्रा की गणना करने के लिए piv वेक्टर मैप्स पर reynolds अपघटन प्रदर्शन ।
    1. सभी piv वेग वेक्टर नक्शे में प्रत्येक स्थान पर एकत्र पर एनसेंबल मतलब की गणना piv वेक्टर मैप्स चरण २.१ से प्राप्त.
    2. प्रक्षुब्ध वेग fluctuations की समय श्रृंखला प्राप्त करने के लिए प्रत्येक नक्शे में तात्कालिक वेग से 3.2.1 में गणना इन मतलब मूल्यों घटाकर द्वारा एक reynolds अपघटन प्रदर्शन.
    3. ब्याज के आंकड़ों की गणना, उदाहरण के लिए, अशांत वेग रूट-माध्य-वर्ग (RMS) । वैकल्पिक रूप से, एक प्रक्षेप पथ के भीतर सटीक कण स्थानों पर अशांत उतार चढ़ाव की जांच सकता है ।

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Representative Results

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प्रयोगात्मक सेटअप का एक योजनाबद्ध चित्र 1में दिखाया गया है । चित्रा प्रकाश चादरें (एलईडी और लेजर), fovs में ओवरलैप की व्यवस्था, और दोलायमान ग्रिड और टैंक की दीवारों के सापेक्ष fovs की स्थिति से पता चलता है । अशांति और कणों एक साथ मापा जाता है के रूप में प्रोटोकॉल अनुभाग में वर्णित. चित्रा 2 नमूना कण trajectories साथ साथ तात्कालिक वेग और भ्रमिलता के मापन के उदाहरण के परिणाम से पता चलता है. piv विश्लेषण के परिणामों के अशांत उतार चढ़ाव के RMS कंप्यूटिंग के आधार पर मूल्यांकन कर रहे हैं । इस दोलायमान ग्रिड सुविधा के लिए, piv fov पर RMS वेग अस्थिरता के स्थानिक माध्य के परिमाण दोनों वेग घटकों के लिए ग्रिड आवृत्ति के साथ वृद्धि करनी चाहिए7,15. यह परिणाम प्राप्त नहीं है, तो फिर ग्रिड सुविधा, piv सेटअप, या piv विश्लेषण त्रुटियाँ हो और दोहराया जाना चाहिए । अलग ग्रिड आवृत्तियों के लिए rms वेग fluctuations की ऊर्ध्वाधर प्रोफ़ाइल का एक उदाहरण चित्रा 3में प्रदान की जाती है, जहां यह दिखाया गया है कि rms अशांत fluctuations ग्रिड आवृत्ति के साथ वृद्धि.

कण प्रक्षेपपथ कण trajectories से प्राप्त वेग के वितरण का परीक्षण करके मूल्यांकन कर रहे हैं, के रूप में चित्रा 4में दिखाया गया है. वितरण में ये वितरण लगभग गाऊसीय होना चाहिए. यदि वे नहीं हैं, तो उच्च गति छवियों के अधिग्रहण के साथ एक समस्या हो सकती है विशिष्ट प्रवाह की स्थिति के आधार पर, उच्च गति छवियों के विश्लेषण के साथ एक मुद्दा है, या कण trajectories की एक अपर्याप्त संख्या । विधि के इस विशेष आवेदन में, प्रक्षेपवक्र परिणामों के सत्यापन भी स्थिर पानी के लिए dietrich16 घटता की तुलना द्वारा प्राप्त किया जा सकता है । प्रक्षेपवक्र अभी भी एक ही प्रक्रिया के कणों के लिए यहां उल्लिखित का उपयोग कर पानी में चंद्रग्रहण एक बसने वेग है कि लगभग इन अनुभवजन्य घटता के रूप में चित्रा 5में दिखाया गया है, जहां स्थिर प्रवाह के लिए परिणाम के साथ संगत है उपज चाहिए डिएटरिच16 घटता के साथ शर्त शो समझौते । चित्रा 5 यह भी दर्शाता है कि कणों अशांति में बसने गति के रूप में jacobs एट अल में चर्चा की वृद्धि हुई है करते हैं । 7.

Figure 1
चित्रा 1: प्रयोगात्मक सेटअप, जो एक ग्रिड अशांति टैंक के होते हैं के योजनाबद्ध विवरण, कण छवि velocimetry सेटअप (एक सीसीडी (piv) कैमरा और लेजर का उपयोग), और 2d उच्च गति इमेजिंग कण ट्रैकिंग सेटअप (एक CMOS (पीटी) कैमरा और एलईडी प्रकाश का उपयोग ). योजनाबद्ध पर आयामों सेंटीमीटर में प्रदान की जाती हैं. यह आंकड़ा jacobs एट अल में दिखाया गया है कि से संशोधित किया गया है । 7 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: वेग वितरण और trajectories. (क) एक उदाहरण तात्कालिक द्रव वेग वितरण पिक्सल में वैक्टर द्वारा प्रतिनिधित्व/तात्कालिक भ्रमिलता पर मढ़ा रंग की विशेषता । निचले बाएं कोने में लाल पैमाने पर वेक्टर ५०० पिक्सल/एस का प्रतिनिधित्व करता है (ख) समय चूक का एक उदाहरण (30 से अधिक पीटी छवियां) 5 हर्ट्ज ग्रिड दोलनों पर एक २६१ μm मतलब व्यास के साथ कणों की trajectories । इस आंकड़े के पैनल बी कि jacobs एट अल में दिखाया से संशोधित किया गया है । 7 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: क्षैतिज (एक) क्षैतिज और (ख) सभी ग्रिड आवृत्तियों के लिए ऊर्ध्वाधर अशांत उतार चढ़ाव (लीजेंड देखें) के RMS के ऊर्ध्वाधर प्रोफाइल औसत । प्रक्षुब्ध RMS वेग ग्रिड आवृत्ति के साथ वृद्धि. RMS मान ५०० वेक्टर मैप्स पर आधारित होते हैं जो सभी स्थानों पर परिकलित किए जाते हैं और फिर बाद में दिखाए गए ऊर्ध्वाधर प्रोफाइल को प्राप्त करने के लिए प्रत्येक ऊर्ध्वाधर स्थिति में सभी क्षैतिज पदों (५० अंक) पर औसत किया जाता है । यह आंकड़ा jacobs एट अल में दिखाया गया है कि से संशोधित किया गया है । 7 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: ' कणों मापा क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर वेग स्थिर पानी और अशांत स्थितियों में (उपशीर्षक देखें) के लिए (एक, दो पैनलों छोड़ दिया) एक प्राकृतिक (अनियमित आकार) रेत कण के साथ २६१ μm मतलब व्यास और (बी, ठीक दो पैनलों) एक ७१ μm मतलब व्यास के साथ एक गोलाकार सिंथेटिक कण । subplots में लाइनों गाऊसी हिस्टोग्राम के लिए फिट बैठता है । यह आंकड़ा jacobs एट अल में दिखाया गया है कि से संशोधित किया गया है । 7 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: कणों के कई विभिन्न प्रकार के लिए कण आकार बनाम स्थिर और अशांत प्रवाह स्थितियों में बसने वेग. पौराणिक कथा में सचित्र के रूप में, रंग अलग तलछट प्रकार का प्रतिनिधित्व करते हैं: सिंथेटिक या निर्मित कणों, कई औद्योगिक रेत प्रकार (१२०, १००, ३५), और myrtle समुद्र तट में एक स्थानीय समुद्र तट से रेत, अनुसूचित जाति-jacobs एट अल में तालिका 1 देखें । अधिक जानकारी के लिए 7 । भरा चक्र सहित प्रतीकों, किंवदंती है, जहां स्थिर शूंय आवृत्ति को संदर्भित करता है में ग्रिड आवृत्ति के रूप में प्रतिनिधित्व प्रवाह की स्थिति से संकेत मिलता है । ग्रिड आवृत्ति बढ़ जाती है के रूप में, RMS प्रक्षुब्ध वेग fluctuations वृद्धि. स्थिर पानी में कण बसने वेग के लिए dietrich16 के अनुभवजंय घटता भी कई विभिन्न आकार कारकों के लिए दिखाए जाते हैं. यह आंकड़ा jacobs एट अल में दिखाया गया है कि से संशोधित किया गया है । 7 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

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Discussion

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इस के साथ साथ वर्णित विधि अपेक्षाकृत सस्ती है और एक साथ कण प्रक्षेपपथ और अशांति को मापने के लिए कण कीनेमेटिक्स पर प्रवाह के प्रभाव की जांच करने के लिए एक सरल तरीका प्रदान करता है. यह उल्लेखनीय है कि प्रवाह या कण की गतिशीलता है कि दृढ़ता से तीन आयामी है अच्छी तरह से इस तकनीक के लिए उपयुक्त नहीं हैं । आउट-की-विमान गति 2 डी ट्रैकिंग और piv विश्लेषण दोनों में त्रुटियों17 में परिणाम होगा और छोटा किया जाना चाहिए । इसके अलावा, विधि ट्रैक कणों की एकाग्रता के लिए अपेक्षाकृत कम होने की आवश्यकता है (पीटी छवि प्रति कणों के दसियों के आदेश पर). यह प्रतिबंध एक ही कण लगातार छवियों में ट्रैक किया जा रहा है कि विश्वास को अधिकतम करने के क्रम में महत्वपूर्ण है । यदि बहुत सारे कण एक साथ पीटी कैमरा के fov में मौजूद हैं, तो प्रक्षेपवक्र गणना और प्रक्षेपवक्र की जल्दी समाप्ति में inaccuracies के रूप में के रूप में अच्छी तरह से piv छवि विश्लेषण में त्रुटियों में वृद्धि हो सकती है । नतीजतन, कण ऊर्णन के साथ जुड़े समस्याओं की जांच करने के लिए इस तकनीक के लिए चुनौतीपूर्ण होगा क्योंकि बड़े कण सांद्रता आम तौर पर की जरूरत है । अंत में, यह तकनीक बड़े कणों (> 50 μm) पर नज़र रखने के लिए सबसे उपयुक्त है । ट्रैक किया जा रहा है कि कणों से piv tracers (~ 10 μm) के बीच पर्याप्त जुदाई होना चाहिए । 5 का एक कारक का सुझाव दिया है ।

कण पर नज़र रखने के लिए प्रोटोकॉल में सबसे महत्वपूर्ण कदम अंशांकन कदम, फ्रेम दर का चयन कर रहे हैं, छवियों में कण एकाग्रता, और उच्च गति छवियों में उच्च संकेत करने के लिए शोर अनुपात सुनिश्चित करने. ब्लॉब विश्लेषण ग्रे स्केल छवि के लिए एक श्वेत-और-सफेद छवि पर कनवर्ज़न की आवश्यकता है जिस पर कण trajectories परिकलित हैं । यदि उच्च गति वाली छवियों में कंट्रास्ट ऐसा है कि यह रूपांतरण कठिन है, तो trajectories में त्रुटियों की संभावना है क्योंकि कणों की पहचान में अनिश्चितता होगी । अपर्याप्त कण विस्थापन, फ्रेम के बीच विस्थापन के बहुत बड़े, या बहुत सारे कणों कण trajectories में त्रुटियों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं और/ piv के लिए, छवि आकार के अंशांकन, छवि जोड़े, tracers के समुचित चयन के बीच समय की स्थापना, और piv कैमरा और लेजर के बीच विस्तृत संरेखण piv सहसंबंध विश्लेषण में एक अच्छा परिणाम सुनिश्चित करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण कदम हैं , जो अशांति पर सटीक आँकड़े प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है.

यहाँ, हम यह लागू करने के द्वारा तकनीक के परिणामों का प्रदर्शन विभिन्न प्रकार के बसने वेग और तलछट कणों के आकार में बदलती अशांति की स्थिति की जाँच करने के लिए. परिणाम कण बसने वेग के एक लगभग गाऊसी वितरण (के रूप में के रूप में अच्छी तरह से क्षैतिज वेग) जिनमें से मतलब है कि विभिंन परिस्थितियों में कण के लिए एक ठेठ बसने वेग माना जाता है दिखाते हैं । अशांत वेग उतार चढ़ाव के RMS7,15 की उम्मीद के रूप में ग्रिड आवृत्ति के साथ एक वृद्धि दिखाने के लिए और fov ऊर्ध्वाधर ऊंचाई पर लगभग समान हैं (एक तरफ एक कम अशांति मामले-2 हर्ट्ज ग्रिड आवृत्ति से, चित्रा 3 देखें ). एक साथ, इन परिणामों का प्रदर्शन है कि कणों और प्रवाह क्षेत्र के एक साथ माप सफल रहे थे । उंहोंने यह भी दिखा रहा है कि वहां बढ़ती अशांति7, जो "तेजी से" कण के सिद्धांत अशांत प्रवाह11में व्यवहार निपटाने के साथ सुसंगत है के साथ बसने की गति बढ़ रहे हैं ।

विधि का उपयोग इस के साथ साथ एक वैज्ञानिक कण अशांति बातचीत से जुड़े सवाल को संबोधित करने का एक उदाहरण है; विधि अंय अनुसंधान विषयों और अनुप्रयोगों में उपयोग किया जा सकता है । अलग प्रवाह की स्थिति में कण व्यवहार के एक विशेष पहलू में प्रवृत्तियों की जांच करने के अलावा, यह भी संभव है एक कण के प्रक्षेपवक्र के साथ समय में विशेष परिस्थितियों में प्रवाह वेग की जांच । कण प्रक्षेपवक्र डेटा के साथ प्रवाह वेग जानकारी के एकीकरण की जांच की विशिष्ट प्रश्न पर निर्भर करता है और आवेदनों की एक बड़ी रेंज के लिए प्रवाह में कण कीनेमेटीक्स के बारे में जानकारी का एक संभावित धन प्रदान करता है । संक्षेप में, इस तकनीक के कण trajectories और अशांति आवेदनों की एक संख्या में प्रासंगिक है जहां द्रव प्रवाह प्राकृतिक या मानव निर्मित particulates के साथ सूचना का आदान प्रदान के एक साथ माप के लिए एक कम लागत समाधान उपलब्ध कराता है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम के अंश द्वितीय-VI फाउंडेशन और तटीय कैरोलिना व्यावसायिक संवर्धन अनुदान द्वारा समर्थित थे । हम भी प्रयोगात्मक सेटअप के साथ मदद के लिए corrine याकूब, marek जेंडरास्क और विलियम मर्चेंट को स्वीकार करना चाहते हैं ।

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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प्रवाह इमेजिंग तकनीकों का उपयोग करते हुए अशांति और कण कीनेमेटिक्स का युगपत मापन
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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).

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