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Engineering

フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定

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

Summary

ここで説明する手法は、粒子運動と低粒子濃度の流れにおける乱流を同時に測定する低コストかつ比較的簡単な方法を提供しています。粒子画像流速測定法 (PIV) を用いて乱流、粒子の運動が重複するフィールド-の-ビューで高速カメラで得られた画像から計算されます。

Abstract

科学や工学の分野で多くの問題を含む汚染物質、海洋微生物、海洋、または流動床炉で堆積物と燃焼過程など、乱流中の粒子の運動を理解することシステムを設計されています。このような流れ中の粒子の運動の乱れの影響を研究するために両方の気流と粒子の運動の同時測定が必要です。非侵入、オプティカル フロー測定技術、乱流の測定や粒子を追跡するための存在が、技術間の干渉のために挑戦することができます両方を同時に測定します。ここに提示されたメソッドは、気流と粒子の運動の同時測定を行う低コストかつ比較的簡単な方法を提供します。流れの断面を用いて粒子画像流速測定法 (PIV) の技術、測定点における速度の 2 つのコンポーネントを提供します。この手法は、デジタル カメラによる撮影であるシード流れ場の照明のためのパルス レーザーを採用しています。粒子運動は、発光ダイオード (LED) 線、PIV の視野 (FOV) と重複する流れの 2 次元断面を照らす光を使用して同時に作成されます。ライト線は十分な低消費電力の PIV 計測には影響しませんが、高速カメラを用いた関心の大きい粒子を照らすには十分に強力なイメージです。PIV 手法からレーザー パルスを含む高速のイメージは、各高速画像の合計強度レベルを調べることで簡単にフィルター処理されます。高速カメラのフレーム レートを PIV カメラのフレーム レートの非整合させて、高速時系列で汚染されたフレームの数を最小化できます。技術は主に 2 次元平均流れに適した、少なくとも 5 回播種トレーサー、PIV の平均直径と低濃度の粒子を含んでいます。

Introduction

乱流場における粒子挙動を含む科学や工学の分野でアプリケーション、大気汚染物質やエンジニア リング システム、および海洋堆積物におけるエアロゾルの多数が存在します。マイクロ有機体または海1,2,3の沈殿物。このようなアプリケーションで粒子が乱流は、粒子の運動と流体力学の同時測定が必要に応答する方法を理解する関心の頻繁です。

粒子追跡 (PT)、個々 の粒子軌跡と粒子画像流速測定法4,5 (PIV) の統計的手法をトラックと呼ばれる、粒子の運動を測定する既存の技術流れを測定するために使用速度、両方は、非侵入型の光学技術を組み込みます。同時に両方の気流と粒子の運動を測定するこれらの非侵入型の光学技術を使用しての主な課題は他の測定精度 (干渉できないそれぞれのイメージングに必要な別の照明例えば粒子の運動を測定するための照明源として機能できません流体の速度計測と逆に大きなノイズ源)。画像のコントラストの画像の両方のセットには、信頼性の高い結果を得るのに十分な必要があります。たとえば、PT 画像はパーティクルの位置を決定するためのブロブ解析を実行するために黒と白の画像に変換されます。したがって、十分なコントラストは、パーティクルの位置のエラーに します。PIV 流体速度の推定に誤りが発生する低信号対雑音比の画像量でコントラストが低い。

ここでは、同時に両方の粒子の運動と流れの速度を測定するため比較的低コストでシンプルな方法を説明します。ハイパワー単色発光ダイオード (LED) 一筋の光、どこ行光絞り値、およびデュアル ヘッド高強度レーザーを参照しているの使用によって興味の粒子に流れ場が同じ地域に同時に作成されます。LED の高出力ですが高速カメラによる (履歴) 粒子のイメージングのための十分な PIV トレーサーからの散乱光の強度が低すぎるため PIV 画像は影響しません。ときデュアル ヘッド高強度レーザー点灯 PIV 画像に対する流れ場短い時間間隔で発生し、これらのイメージを簡単に識別および登録されたとき高速 PT カメラによって得られた時系列データから削除します。PIV レーザー シリーズは、お互いに見合ったフレーム集録レートで 2 つのシステムを実行しないことで最小化できる高速画像 (粒子追跡の使用) 時間で記録。高度な設定で、これが発生しないように、遅延と PT と PIV カメラを引き起こす可能性がある外部から 1 つ。最後に、PIV の視野 (FOV) 内で追跡される粒子の量を慎重に検討、によって PIV 画像の相関分析でこれらの追跡の粒子によって導入されたエラーがすでに考慮全体的な誤差評価によってPIV トレーサー尋問ウィンドウ内の非一様分布に関連するエラーを含む。トレーサーを播種 PIV の大半、流れを次正確な流量速度推定値を降伏します。これらの技術は、2次元平面粒子運動と流れ場の両方の直接計測を有効にします。

この手法は、乱流、ヤン ・恥ずかしがり屋6 ・ ジェイコブスらによる研究で用いられている類似の沈降性粒子を確認することを適用することで示されて7します。 一般的に浮遊、トランスポート、および解決から成っている、土砂移動の最終段階は、粒子の沈降。乱流中の粒子沈降を対処しているほとんどの事前調査で、粒子軌道または乱流速度直接測定されないが、理論的に推定されるまたは8,9,10をモデル化します。粒子群と乱れの相互作用の詳細についてよく調べた両方を同時に測定する実験の制限により理論的および数値モデルを用いた6,11。乱流と粒子とのカップリングの沈降速度を用いて振動のグリッド施設における粒子乱流との対話事例を紹介します。わかりやすくするため、我々 が呼びます「粒子」と「トレーサー」; として、piv 用シード粒子として調査中粒子さらに、我々 は「粒子追跡」、"PT"、または「高速画像」とカメラの PIV 法「PIV カメラ」の使用を測定する「高速」カメラとして粒子軌道の高速撮像用カメラを参照する「イメージ」を測定します。記載方法は、施設内の事前定義されたフィールド経由粒子運動学と流体力学の同時測定をできます。得られたデータは、二次元粒子乱れの相互作用についてを説明します。

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Protocol

注: すべての職員は、安全使用安全使用のと同様、クラス IV レーザーの操作と手および動力工具の操作に訓練必要があります。

1. 実験の設定

  1. PIV セットアップ
    1. デュアル ヘッド レーザーと光学系を設定します。
      1. 光プレートにレーザーを配置します。に関して、施設の下部 (または垂直速度を重力加速度と一致する必要がある場合のグランドに対して) レーザーのレベルし、イメージを作成する平面の中央にレーザー光を垂直方向に整列します。
      2. 光プレートに確保することでレーザー光線のパスに円筒のレンズを配置します。レンズは 2 次元平面にビームを形成します。平面イメージのサイズは、調査する地域からの距離とレンズの焦点距離に依存します。照らされた地域は特定のアプリケーションに対して十分に大きいまで、レンズとの距離を調整します。
      3. シリンドリカル レンズと 2D イメージ平面間光プレートに球面レンズを配置します。球形および円柱レンズと球面レンズの焦点距離の間の距離は、板厚の 2 D 平面照明 (光) を決定します。光のシートは約 0.5-1 mm 厚までこの距離とレンズの焦点距離を調整します。
    2. 位置決めし、PIV カメラの予備的なキャリブレーションを行います。
      1. PIV カメラ、ターンオン無料/連続モードで PIV カメラにレンズを取り付けるし、粗く PIV カメラの焦点します。イメージング センサーによって受け取られるべき十分な光を許可する PIV カメラの絞り値を調整します。レーザーを用いた照明と部屋の白い光を用いたこの絞りの設定が異なる場合があります。
        1. イメージのサイズが関心領域を観察するのに十分になるまでは、レンズとの距離を調整します。各種レンズ、PIV カメラと光のシート間の距離は、PIV カメラのイメージの物理的なサイズを決定します。イメージのサイズよりも小さい (またはよう) にする必要があります理想的には、1.1.1 で光シート セットアップのサイズ。
      2. PIV カメラが光シートに垂直を確認して粗く高さを調整するような関心領域 (手順 1.1.1 を参照-光シート境界によって定義) PIV カメラのビュー フィールド (FOV) 内にあります。
      3. レベルの PIV カメラに関して流れ施設の下部 (または垂直速度を重力加速度と一致する必要がある場合のグランドに対して)。PIV カメラこと光シートに正確に垂直になるので、これを徹底的にチェックする必要があります最も重要なのです。
      4. PIV カメラを切り、レーザーをオンにします。キャリブレーション ターゲットを配置し、光シートの中心に合わせますレーザーをオフにします。
        注: 校正対象は二次元板 (一般的に剛性のための金属の作られて)、規則的な間隔のグリッド形成内の配置複数のマーカー (例えば、ポイントまたは交差) を含みます。プレートは、通常白いマーカー付き黒塗られます。マーカーの間の既知の距離の物理単位からピクセルの間の変換係数の推定ができます。
      5. キャリブレーション ターゲットの PIV カメラのフォーカスを絞り込むし、PIV カメラを入れます。地域をスペースで解決できる方法も PIV カメラのピクセルの解像度を決定します。したがって、それは (参照上で手順 2.1.1 2.1.4 詳細についてはこれらの考慮事項) が考慮されるべき。
      6. 1 つの画像をキャプチャします。PIV カメラはレベル校正用ターゲットの列に沿って水平方向の位置が一貫性のあることと同様、校正対象の行全体の高さが一致していることを確認を確認します。最小化する必要があります画像の歪み量を評価するためにピクセル単位で画像の四隅に校正マーカーのサイズを確認します。0; 4 つのコーナーの各調整マーカーのサイズの違いになりますしかし、以上 1 のピクセルによって違いはありません。
    3. PIV トレーサーをフローに追加します。
      1. そのは中立的に浮揚性 (流体として同じような密度)、化学的に不活性、適切なサイズと形状 (球面と流れに従うこと十分に小さい) に適したトレーサーを選択して流体12,13 を基準高屈折.
        注: 流体が水を提示された事例として、10 μ m の平均径と密度 1.1 g/cc の中空の球面ガラスを使用している私たち。
      2. 流れに PIV トレーサーを導入して施設を実行 (発振グリッド) までも混ざっています。段階的トレーサーを紹介し、画像の品質とその中のトレーサーの密度のレベルを評価します。
        注: 灰色トレーサー レベル強度と背景強度の大きい分離が最適です。
        1. 無料/連続モードで画像を収集、レーザーをオンして評価します。イメージでトレーサーの濃度は濃厚だが、斑点のない4,14はずです。周りには提示される濃度レベルを選択する際に必要な相関ウィンドウのサイズを考慮、PIV の 8-10 明確な粒子ペア画像相関解析4のペア (2.1.1 の手順を参照してください)。
    4. PIV パラメーターを設定します。PIV パラメーターは、(これはレーザー デュアル パルス繰り返しレートと同じ) PIV カメラ フレーム レート、画像のペア (すなわち、連続 (デュアル) レーザー パルス間タイミング) とイメージのペアの数を収集する間のタイミングで構成されます。1.1.5 のステップからの結果のレビュー後にこれらの設定の絞り込みは必要かもしれない。
      1. PIV カメラとレーザー (フレーム レート) のタイミングを設定します。これらはサンプリング速度ベクトル地図の時間分解能を決定してする必要があります (PIV カメラ、レーザー、またはハード ディスクの空き容量の制限) できるだけ高く流れの最小時間倍率の半分まで。
      2. 連続 PIV 画像 (すなわち、 PIV 画像ペア) 間のタイミングを設定します。
        1. 施設で (2.1.1 参照) 尋問 windows のサイズの平均流れの速度に基づく連続 PIV 画像間のタイミングを設定します。約 1/4-1/2 を置き換えませんトレーサーがある尋問の時のウィンドウのサイズは、連続する画像間経過します。連続する画像間の時間はまた、2 つのレーザー パルス間のタイミングを設定します。
        2. PIV カメラのシャッターが開いた後に、短い時間を発射する最初のパルスを事前定義します。相関 PIV カメラを使用する場合、PIV カメラはバッファー メモリにイメージを格納し、再再度シャッターを開きます。
        3. ここの時間設定に基づいて 2 番目のレーザー パルスを発生します。一度 2 番目のパルスの火災では、カメラのシャッターが閉じて、フレームグラバ (または PIV カメラのオンボード メモリ) に両方の画像を送信します。
        4. 最初のパルス間の時間をトリガー入力画像ペアの最初のイメージの取得および PIV カメラ フレームによってそれに続く画像ペアの最初のイメージの獲得をトリガーする最初のパルス率 (1.1.4.1 を参照) を決定します。
      3. 収集するイメージのペアの数を設定します。収集するイメージのペアの数は、実験の設定によって異なりますが、画像の何千もの何百もの範囲では、通常、統計的フロー プロパティの収束を保障する選択必要があります。
    5. PIV のセットアップをテストします。
      1. 両方レーザー ヘッドの外部トリガー モードにレーザーを設定し、レーザー パワーを上げます。完全に部屋を暗くします。
      2. 数秒の同期連続モードでのデータの収集を開始します。
      3. データの収集を停止します。
      4. 相関イメージ クロス ペア (2.1.1 参照) を収集しました。
        1. 場合良いベクトル信号対雑音比を渡すの割合 (2 番目に最高の相互相関ピーク比最高相関ピークをクロス-2.1.1 を参照してください) 尋問 windows 内で変位が上限 90% または平均トレーサーではないです。尋問ウィンドウ サイズのおよそ 0.25 から 0.5 繰り返し、それを達成するまでに 1.1 節の手順の適切な実装を確認します。これらの値は、一度は、施設 (ストップ グリッド振動) を停止します。
  2. 2 D 高速粒子の追跡をセットアップします。
    1. 単色 LED ライト線を配置します。
      1. LED ライトの線で大規模な調査 (例えば、堆積物の粒子) の下で粒子を照らすように散乱強度 (流体に対する粒子の屈折率に大きな差) を選択します。継続的にまたは PT カメラと同期することができますレートを照らすことができる必要があります。
      2. 面外粒子運動によりあいまいさを減らすために PIV 光板厚よりも 10 倍以上の厚みになることが、理想的な PIV 光シート厚に合わせてライト線の厚さを最小限に抑えます。
      3. 一致または PIV FOV を包含する led ラインの幅をサイズします。(例えばPIV 光シート側から) と下から LED ライトの閉塞の問題がないように、レーザーによって生成される光のシートに対して垂直の LED をマウントします。図 1を参照してください。
      4. LED ライン光の厚内 PIV 光板厚の中央はよう LED ライト線を合わせます。この配置を達成するために LED ライトの位置を調整します。PIV 光シートの動きは、1.1 節の手順を繰り返す必要があります。
    2. 位置決めし、高速 PT カメラの予備の校正を行います。
      1. PT カメラにレンズを取り付ける、無料/連続/ライブ モードで PT カメラをオンにし、粗く PT カメラの焦点します。必要に応じて、調整 PT カメラの撮像素子によって受信されるに十分な光を許可する PT カメラ絞りLED ベース照明と部屋の白色光を使用する場合、この絞りの設定が異なる場合があります。各種レンズ、カメラと光の LED のライン間の距離は、PT カメラのイメージの物理的なサイズを決定します。理想的には、PT カメラ視野になりますよりも小さい (またはような) LED に照らされた領域のサイズ。
      2. 高速カメラがライト線に垂直になることを確認し、関心領域は PT カメラの fov と PIV FOV 粗く高さを調整します。
      3. レベルの PT カメラに関して流れ施設の下部 (または垂直速度を重力加速度と一致する必要がある場合のグランドに対して)。PT カメラになりこれが徹底的にチェックする必要があります正確に一筋の光に照らされた平面に垂直な最も重要なのです。
      4. PT カメラをオフ、ライン光をオンに、ライト線の中央に揃えキャリブレーション ターゲットを配置し、一筋の光をオフにします。
      5. キャリブレーション ターゲットに重点を絞り込むし、PT カメラを入れます。イメージのサイズが関心領域を観察し、PIV FOV 包括的に十分になるまで、レンズとの距離をさらに改良します。
      6. 高速 PT カメラ視野が PIV FOV より大きくなるよう、レンズとの距離を選択します。この配置は、こと PIV カメラと高速 PT カメラは物理的に相互にブロックを確保するため必要です。
      7. PT と PIV カメラを縦方向に整列 (積み上げ) または互いの側にオフセット。それは、高速 PT FOV と PIV FOV の 1 つの角に合わせに便利です。地域をスペースで解決できる方法も PT カメラのピクセルの解像度を決定します。したがって、それは考慮されるべき。物理単位とピクセル単位の換算率は、1 ピクセルの物理的な距離を決定します。粒子は、連続する画像間約 3-10 ピクセルを転置する必要があります、この変位はあまりにも大きい (または小さい) 場合 FOV が小さすぎる (または大きすぎる) またはピクセル数は大きすぎる (または小さすぎる) ので、粒子を置き換えませんかもしれないが理想画像 (また見なさい 1.2.3.2) の間のピクセル数です。
      8. 調査のための粒子を選択します。
        1. 十分に調査の粒子と PIV トレーサーを区別するためにトレーサーを播種 PIV よりもはるかに大きい興味の粒子を使用します。我々 が PIV トレーサーに比べて約 5 倍の粒子で成功している、制限できる屈折率粒子と光の源に依存してこの下限値を考慮します。調査の粒子に含まれることの周りの高速カメラの画像領域の 4-5 ピクセル。したがって、PIV 画像に比べて高速イメージのピクセル分解能, 粒子のサイズことができます。
        2. このステップを達成するために必要に応じて手順 1.2.2.1-1.2.2.5 を繰り返します。
      9. キャリブレーション ターゲットの 1 つのイメージを取得します。校正対象の行全体の高さは一貫性のある、およびキャリブレーション ターゲットの列に沿って水平方向の位置が一貫性のあることによってレベル PT カメラを確認します。最小化する必要があります画像の歪み量を評価するために各イメージの下の隅に調整マーカーのサイズを確認 (以上 1 ピクセルごとに違いありません)。
    3. 高速カメラのパラメーターを設定します。高速カメラのパラメーターから成る (この場合露出時間の設定も) PT カメラ、PT カメラの解像度 (完全なフレームまたはフレーム レートを増加または集録時間を延長するピクセルのビニング) と数の画像のフレーム レート収集。
      1. イメージの数を設定する (すなわち、集録時間の長さ) を収集します。収集した画像の数に影響を及ぼす測定粒子軌道の数-取得の時間が長く、測定することができますより多くの軌道。
      2. フレーム レート (と露光時間) を設定し、高速 PT カメラの解像度。
        1. 高速画像取得率を同じまたは PIV フレーム レートの倍数に設定しないでください。流れ中の粒子の推定速度に基づいてフレーム レートを設定します。粒子が 2 つ連続画像でパーティクルの位置を重複のインスタンスを避けるために 1 または 2 以上のピクセルを転置する必要があります。しかし、大きなギャップ (> 10 ピクセル) 粒子軌道の損失を降伏の連続画像で同じ粒子を識別するに少ない自信になります (2.2.4 を参照)。この範囲 (3-10 ピクセル) の粒子変位を達成するために PT カメラ解像度とフレーム レートを調整します。
    4. 高速カメラのセットアップをテストします。
      1. ターンオン LED ライン光とそれ以外の場合は、部屋を暗きます。
      2. 施設 (スタート グリッドを振動) を実行します。
      3. 流れに粒子を導入して高速カメラの視野内にパーティクルを表示した後、いくつかのフレームをキャプチャします。連続したフレームをオーバーレイし、連続フレーム中の粒子を区別できるかどうかを評価します。
        1. 開始効果が無視できる、粒子の密度は十分な内粒子の重なりの頻繁なインスタンスではありませんスパース粒子の高速カメラの FOV 入門が FOV から遠くで十分に発生するを確認してください、高速イメージ、FOV と FOV/PT カメラ画像の歴史カメラの目で、粒子が追跡を撮像面で主に粒子の運動であります。
        2. これらの結果が得られない場合は、それを達成するまで 1.2 を繰り返します。一度は、施設 (ストップ グリッド振動) を停止します。
  3. 最終校正を組み合わせる
    1. PIV と PT カメラ FOVs と LED と PIV の両方光シート内でキャリブレーション ターゲットの位置を移動します。校正用ターゲットは高速 PT カメラと PIV カメラの両方で表示可能なはずです。両方のカメラがフォーカスされていることを確認します。場合 1 つは、フォーカスでは、1.1 と 1.2 の手順をそれぞれ PIV カメラと高速カメラの繰り返される必要があります。
    2. 高速カメラの FOV と PIV カメラ視野の両方を見ることは校正用ターゲットに少なくとも 1 つのユニークなマークが存在することを確認します。測定し、画像の間の空間の登録の目的のための物理的なスペースのこのユニークなマークの位置を示します。
    3. カメラキャリブレーションを高速キャプチャして高速 PT カメラ校正用ターゲットの 1 つのイメージを保存します。PIV カメラに同じ方法を調整します。
    4. 流体からキャリブレーション ターゲットを削除します。
  4. データ コレクション
    1. 施設を実行 (発振グリッド) 定常状態 (~ 20 分) に達するまで。
    2. 部屋を暗くして、LED の光を回す照明条件を設定します。液体に粒子を追加します。
    3. 同期的に (ライブモード) で高速 PT カメラ視野内最初の粒子の場合は、両方のシステムのためのイメージ取得を開始します。
    4. 高速 PT カメラの RAM から高速のイメージをダウンロードし、PIV カメラで取得した画像を保存します。
    5. 施設を停止 (グリッド振動を停止)。

2. 画像解析

注: 多数ソフトウェア パッケージ-PIV と PT の両方の画像解析を実行できるコマーシャルおよびフリーウェアの両方があります。PIV 解析用フリーウェア コード、 OpenPIV (http://www.openpiv.net/) とMatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html)。民間企業はまた PIV 解析ソフトウェアを販売します。3次元および 2次元粒子追跡者(https://omictools.com/particle-tracker-tool); などに存在している PT の解析、粒子追跡する多数のコード様々 なソフトウェア プラットフォームの完全なリストをここで見つけることができます: https://omictools.com/particle-tracking-category または http://tacaswell.github.io/tracking/html/。ほとんど分析パッケージ、 MATLAB など、比較的容易を実装する独自のコードを追跡するツールで構築しています。この研究、OpenPIVで示された結果、 TSI の洞察力、およびMATLABカスタム作成されたトラッキング コードを使用しました。

  1. PIV 画像を分析します。
    1. 各画像を相関 2 連続 PIV 画像 (すなわち、 PIV 画像ペア) によって各ウィンドウの平均流速を計算として尋問 windows (例えば64 x 64 ピクセル2 50% の重複) のグリッドに分割します。PIV セットアップ、1.1.4.2 のセクションで説明します。
      注: 各ウィンドウにピーク相関とウィンドウの中心間の距離は、そのウィンドウで平均トレーサー変位を定義します。キャリブレーション後、この変位の連続 PIV 画像 (PIV 画像ペアの参照手順 1.1.4.2) の間の時間で割った値には各場所の4速度の 2 つの平面でコンポーネントの見積もりが得られます。速度ベクトル マップとしてを総称して呼びます。尋問ウィンドウのサイズによって決まりますこの距離の半分は計算速度 PIV 解析によって生じる流れ場の解像度間隔のベクトルします。一緒に物理的な単位変換係数にピクセルこの間隔は測定された流れ場の解像度を設定します。また、誤ったベクトル (2.1.2 参照) の低い数字を得るためには、トレーサーの十分な数が (少なくとも 8 10 トレーサー) 各ウィンドウ内に存在する必要があります、彼らする必要があります以上シにス ウィンドウ サイズを置き換えません。
    2. 速度ベクトル図から誤った結果を削除する相互相関の結果をフィルター処理します。
      1. 信号対雑音 (SNR) フィルターを適用します。1.5 の上記比率を必要とは、通常使用 (この番号は特定の実験条件を基に変わります)。
        1. 設定するか SNR 最初と 2 番目の比率尋問ウィンドウまたは特定尋問ウィンドウ上の最初と平均相関比の相関最高峰。実験の各セットの sn 比比を最適化します。この sn 比チェックに失敗したベクトルの数 10% を超えてはなりません。
      2. 残りの (手順 2.1.2.2 と 2.1.2.3 の間 5% を超えない) 誤ったベクトルをフィルター処理速度地図の平均値プラスまたはマイナスの地図表示速度の 3 つの標準偏差を持つ各個々 の速度ベクトルを比較し、排除するグローバル フィルターを使用この範囲外の速度。
      3. 誤ったベクトル (手順 2.1.2.2 と 2.1.2.3 の間 5% を超えない) 速度を周囲の近所の平均速度とそれぞれの個々 の速度ベクトルを比較するローカル フィルターを用いたベクトル、通常サイズが 5 × 5 の残りをフィルター処理します。
        注意: 中央と近傍サイズの決定の使用は、特定の実験の条件に応じて変更できます。
    3. サイズ 5 × 5 の通常手順 2.1.2 周辺近所ベクトルからの情報を使用して補間ベクトル (または近所中央) で見つかった誤りベクトルを置き換えます。
    4. ピクセルの距離変換比を決定します。どのように多くのピクセル変換ステップ 1.3.3 で画像化された校正用ターゲット上のマーカー間の距離を使用して特定の距離を調べます。
    5. ベクトルを調整します。2.1.4 ステップからこの換算係数と手順 1.1.4.2; で設定イメージのペアの間の時間を使用して物理的な単位の手順 2.1.1-2.1.3 で計算したベクトルに変換します。ピクセルの変位を物理的な単位で速度に変換します。
  2. 高速画像を分析します。
    1. 高速画像時系列 PIV レーザーが流れを照らしていたからすべてのフレームを削除します。
      1. 取得した各フレームの強度の値を合計します。PIV レーザーが点滅しているフレームは画像に PIV レーザーに比べはるかに大きい合計強度があります。合計強度のしきい値に基づいて、合計輝度しきい値より大きいされている時系列データから任意の画像を削除します。これが発生するフレームの量を最小限に抑える方法についてはセクション 1.2.3.2 を参照してください。
    2. しきい値を使用してバイナリ イメージに残りのグレースケール画像を変換します。この場合、我々 は白と黒の背景に粒子を変換のしきい値を決定する大津のメソッドを使います。
    3. 各イメージのブロブ解析を実行します。
      1. 以下オブジェクトといいます - 黒と白の画像で接続の領域を識別します。通常、8 ピクセルの接続が使用されます。
      2. エリア (つまりイメージ内で使用するオブジェクトのピクセル数) でははるかに小さいがオブジェクトを削除する通常 3 ピクセルに、イメージ内のピクセルの標準的な粒子サイズより。
    4. 粒子の軌道を計算します。
      1. 最初のイメージですべて (残り) のオブジェクトの重心を識別します。
      2. 検出された各オブジェクトの事前イメージの重心に近い地域で検索することによって同じオブジェクトの後続の画像を検索します。検索ウィンドウ内の 1 つの粒子/オブジェクトがある場合にのみ、軌道を続けるし、そのイメージで重心の位置を記録それ以外の場合、軌道を終了します。
        注: 検索の大きすぎるエリア以降の画像の粒子の誤った同定になるので、結果にバイアスを引き起こすことがなく可能な限り制約検索領域する必要があります。後続のフレーム内のオブジェクト位置が検索ウィンドウの最大範囲で頻繁である場合、検索ウィンドウは十分な大きさではありません。
      3. 2.2.4.2 のステップを繰り返して、オブジェクトは以降の画像では、もはや見つけることが。これが発生すると、軌道がある終わる。
        注: 粒子の大半を管理する場合は一貫して短い (例えば、未満 5 フレーム)、その後、この結果可能性があります重要な三次元運動があるし、このメソッドは適していないことです。親指のルールとして粒子トラックは FOV14; を追跡粒子の少なくとも 1/4 をする必要があります。ただしアプリケーションで特定のトラックの長さの必要性が異なります。
      4. 手順 2.2.4.1-2.2.4.3 から始まるフレーム 1 から追跡されていない任意のオブジェクトの 2 番目のフレームを繰り返します。すべての使用可能な開始フレームのこのプロセスを繰り返します。結果は、実験を通して粒子軌道のライブラリになります。

3. 分析

  1. 粒子速度と PT 用高速画像から得られた位置の軌跡から加速度を計算します。
    1. 各方向の速度を計算する粒子軌道 (1.2.3.2 の手順でフレーム レート設定に基づく) でコンパイルされた 2.2 の時間を区別します。この時間分化は単位時間あたりのピクセルで粒子のラグランジアン速度の見積もりの結果します。
      注: この手順はのみ粒子の速度情報が必要な場合に実行する必要があります。
    2. 距離を単位時間あたりに単位時間あたりのピクセル数から速度を変換することによって速度を調整します。変換係数 (1 ピクセルあたりの距離) は、1.3.3 の手順でイメージ校正用ターゲット上のマーカー間の距離を調べることによって取得できます。
  2. 乱流の量を計算する PIV ベクトル地図レイノルズ分解を実行します。
    1. ステップ 2.1 から取得された PIV ベクトル マップでそれぞれの場所で収集されたすべての PIV 速度ベクトル図をアンサンブル平均を計算します。
    2. レイノルズ分解を実行するには、3.2.1 乱流流速変動の時系列を取得する各マップで瞬時の速度から計算されるこれらの平均値を減算します。
    3. 、たとえば、乱流速度根二乗平均平方根 (RMS) の統計データを計算します。また、1 つは軌道内の粒子の正確な場所で乱流変動を調べることができます。

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Representative Results

実験装置の概略図を図 1に示します。図は (LED とレーザー) ライトのシートの配置、重複、FOVs で発振グリッド、水槽の壁を基準にして FOVs の位置です。粒子と乱流は同時にプロトコルのセクションで説明されているように測定されます。瞬時流速およびサンプル粒子軌道に沿って渦度の測定の結果の例を図 2に示します。乱流変動の RMS をコンピューティングに基づく PIV 解析の結果が評価されます。この発振のグリッド設備の PIV FOV で RMS 速度変動の空間的な平均の大きさは両方速度コンポーネント7,15グリッド周波数で増やす必要があります。この結果が得られない場合、グリッドの施設、PIV のセットアップ、または PIV 解析エラーが含まれてし、繰り返す必要があります。別のグリッド周波数の RMS 流速変動の鉛直プロファイルの例は、図 3のグリッド周波数の RMS 乱流変動の増加を示す提供されます。

粒子の軌道は図 4に示すように、粒子の軌跡から運動速度の分布を調べることによって評価されます。これらのディストリビューションは、約ガウス分布でする必要があります。ない場合は、高速画像や粒子軌道の十分な数の解析の問題特定のフロー条件によって高速画像の取得に問題が可能性があります。メソッドの特定のアプリケーション軌道結果の検証は、停滞水のディートリッヒ16曲線に比較でもが実現できます。静かな水粒子は図 5に示すように、これらの経験的な曲線とほぼ整合するが沈降速度をもたらすべきであるために、ここで説明したのと同じ手順を使用してに軌道計算、停滞した流れの結果条件は、16曲線、ディートリッヒとの契約を表示します。図 5はまた粒子・ ジェイコブスらで説明したように乱流で沈降速度を増加している傾向にあることを示します7。

Figure 1
図 1: グリッド乱流タンク、粒子画像流速測定法のセットアップ ((PIV) CCD カメラとレーザーを使用して)、および 2 D 高速イメージング粒子トラッキングの設定 (CMOS (PT) カメラを使用し、LED ライトから成っている実験装置の概略説明).回路図の寸法は、センチメートル単位で提供されます。この図は、ジェイコブスらに示すから変更されています。7この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: 速度分布と軌道。(A)例瞬時流速分布が色によって特徴付けられる瞬時の渦にオーバーレイ ピクセル/秒のベクトルで表されます。左下隅の赤いスケールのベクターは、500 ピクセル/秒(B) (以上 30 PT 画像) タイムラプス粒子の軌跡の 5 Hz グリッド振動で 261 μ m の平均直径と例を表します。この図のパネル B がジェイコブスらに示すから変更されています。7この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: 水平方向に水平 (a) と (b) 垂直乱流変動 (凡例を参照してください) すべてのグリッド周波数の RMS の鉛直分布を平均します。RMS の乱れは、グリッドの周波数を増やします。RMS 値は、すべての場所で計算し、その後各垂直位置に表示される垂直方向のプロファイルを取得するすべての水平方向の位置 (50 ポイント) で平均 500 ベクトル マップに基づいています。この図は、ジェイコブスらに示すから変更されています。7この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4: 粒子のヒストグラム測定水平および垂直速度停滞水と乱流の条件 (字幕を参照) (左 2 つのパネルを) 261 μ m の平均直径と (B、右二つの自然 (不規則な形) 砂の粒子パネル) の平均径が 71 μ m 粒子合成します。Subplots の線は、ヒストグラムにガウスのフィットです。この図は、ジェイコブスらに示すから変更されています。7この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 5
図 5: 粒子のいくつかの種類の粒子サイズ対停滞と乱流状態で速度をセトリングします。色が異なる堆積物の種類を表す凡例に示すように、: 合成または製造された粒子、いくつかの産業の砂の種類 (120、100、35)、マートル ビーチ, サウスカロライナを参照表 1 ・ ジェイコブスらの地元のビーチから砂詳細については、 7 。塗りつぶされた円を含むシンボルを示すここで停滞に凡例で、グリッドの周波数として表されるフロー条件ゼロ周波数を指します。グリッドの周波数が高くなると、RMS 乱流速度変動の増加します。いくつかの異なる形状因子のディートリッヒ16停滞水の粒子沈降速度のための経験的な曲線も示されます。この図は、ジェイコブスらに示すから変更されています。7この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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Discussion

記載法は比較的高価と同時に粒子運動に及ぼす流れの影響を調べるために粒子軌道と乱流を測定する簡単な方法を提供します。特筆したフローまたは強く三次元粒子の運動はこの手法に適してないです。面外運動は 2次元の軌跡の PIV 解析エラー17になり、最小化する必要があります。さらに、メソッドには、比較的低い (PT 画像あたり粒子の数) の順序を追跡した粒子の濃度が必要です。この制限は、連続画像で同じ粒子を追跡することの信頼を最大化するために重要です。軌道計算の誤り、PT カメラの FOV であまりにも多くの粒子が同時に存在するし、PIV 画像解析でエラーが増加だけでなく、軌道の早期終了が発生することが。その結果、粒子の凝集に関連する問題は、この手法が大粒子濃度は通常必要なので調査するために挑戦でしょう。最後に、この手法はより大きい粒子を追跡に最適です (> 50 μ m)。追跡されている粒子から PIV トレーサー (~ 10 μ m) の間の十分な分離が必要があります。少なくとも 5 倍お勧めします。

粒子追跡のプロトコルの最も重要なステップは、キャリブレーションの手順については、フレーム レート、画像と高速の画像で高信号対雑音比を確保する粒子濃度の選択です。ブロブ解析には、グレー スケール イメージの粒子軌道を計算した白黒画像への変換が必要です。粒子の同定における不確実性があるので高速画像のコントラストで、この変換が困難な場合は、可能性がありますの軌道のエラーは。不十分な粒子変位、大きすぎてフレーム、またはあまりにも多くの粒子間の相対変位の粒子軌道および/または粒子軌道の早期解除でエラーが発生する可能性があります。PIV、画像サイズの調整、画像のペアの間の時間の設定のトレーサーと PIV カメラとレーザーの詳細な配置の適切な選択、PIV の相関分析で良い結果を確保するために最も重要なステップ、乱流に関する正確な統計を得るための鍵です。

ここでは、さまざまな種類の沈降速度とさまざまな乱流状態で堆積物の粒子のサイズを調べるために適用手法の結果を示しました。結果は、粒子沈降速度 (と同様水平速度) を平均にあるさまざまな条件でその粒子の典型的な沈降速度のほぼガウス分布を示します。乱流速度変動の RMS 上に表示増加予想される7,15とはグリッドの周波数とおよそ均一 FOV の垂直方向の高さ (1 つ低乱ケース - 2 Hz グリッド周波数別を参照してください図 3).一緒に、これらの結果はことを示す粒子流れ場の計測に成功しました。彼らはまた増加する乱流7、乱流11内粒子沈降挙動の「高速トラッキング」理論に一貫するいると沈降速度の向上があることを示しています。

本メソッドの利用率は粒子乱流との対話を含む科学的な質問に対処する 1 つの例メソッドは、他の研究分野やアプリケーションで利用できます。様々 なフロー条件でパーティクルの動作の特定の側面の傾向を調べるほか、また粒子の軌道に沿って時間の特定のインスタンスで流速を調べることは不可能です。粒子の軌道データ フロー速度情報の統合調査特定の質問に依存するアプリケーションの大規模な範囲の流れにおける粒子運動学についての潜在的な富を提供しています。要約すると、この手法は、粒子軌道と乱流自然または人造の微粒子が流体の流れを操作するアプリケーションの数に関連性の同時測定する低コストのソリューションを提供しています。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作品の一部は、II-VI の基礎および沿岸カロライナ プロ強化助成によってサポートされていました。我々 はまたコリーヌ ・ ジェイコブス、マレク Jendrassak およびウィリアムの商人が実験のセットアップに関するヘルプを確認したいと思います。

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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工学問題 145、粒子画像流速測定、粒子追跡、粒子の沈降、格子乱流、オプティカル フロー測定技術、画像処理
フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定
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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).

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