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Engineering

난 류와 흐름 이미징 기술을 사용 하 여 입자 운동학의 동시 측정

doi: 10.3791/58036 Published: March 12, 2019

Summary

여기에 설명 된 기술을 동시에 입자 운동학 및 낮은 입자 농도와 흐름에 난 기류를 측정 하는 저렴 한 가격과 상대적으로 간단한 방법을 제공 합니다. 기류 입자 이미지 velocimetry (PIV)을 사용 하 여 측정 되 고 입자 운동학 겹치는 분야-중-보기에서 고속 카메라로 얻은 이미지에서 계산 됩니다.

Abstract

난 류 흐름, 오염 물질, 등 해양 미생물, 유동층된 침대 원자로 또는 바다, 앙금 및 연소 과정에 있는 입자의 기구학 이해를 포함 하는 과학 및 엔지니어링 분야에서 수많은 문제 시스템을 설계. 이러한 흐름에 입자의 운동학에 난 기류의 영향을 공부 하기 위하여 흐름 및 입자 운동학의 동시 측정이 필요 합니다. 비-관입, 광학 흐름 측정 기술 측정 기류, 또는 입자를 추적 하기 위한 존재 하지만 둘을 동시에 측정 기술 사이의 간섭 때문에 도전적 일 수 있다. 여기에 소개 하는 방법은 흐름과 입자 운동학의 동시 측정을 저렴 한 비용 및 상대적으로 간단한 방법을 제공 한다. 흐름의 단면 측정 평면에서 속도의 두 가지 구성 요소를 제공 하는 입자 이미지 velocimetry (PIV) 기술을 사용 하 여 측정 됩니다. 이 기술은 디지털 카메라에 의해 몇 군데 시드 흐름 필드의 조명에 대 한 펄스-레이저를 사용 합니다. 입자 운동학은 동시에 발광 다이오드 (LED) 라인 빛 조명 PIV-의-시야 (FOV)와 겹치는 흐름의 평면 횡단면을 사용 하 여 몇 군데. 선 빛 PIV 측정에는 영향을 주지 않습니다 하지만 관심의 더 큰 입자를 밝히는 충분히 강력한 이미지로 고속 카메라를 사용 하 여 충분히 낮은 전력입니다. PIV 기법에서 레이저 펄스를 포함 하는 고속 이미지 쉽게 각 고속 이미지의 요약된 강도 검토 하 여 필터링 됩니다. 고속 카메라의 프레임 속도, PIV 카메라 프레임 속도의 걸맞지 여 고속 시계열에 오염 된 프레임의 수를 최소화할 수 있습니다. 기술은 주로 2 차원는 평균 흐름에 적합, 입자를 적어도 5 번 시드 추적기, PIV의 평균 직경 및 낮은 농도 포함.

Introduction

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예를 들어 난 류 흐름에 입자의 행동을 포함 하는 과학 및 엔지니어링 분야에서 응용 프로그램, 분위기, 오염 물질 및 엔지니어링된 시스템, 및 해양 퇴적 물에 어로 졸의 많은 수 존재 미생물 또는 바다1,2,3침전 물. 이러한 응용 프로그램에서는 종종 입자 입자 운동학 및 유체 역학의 동시 측정을 요구 하는 난 기류에 대처 하는 방법을 이해 하는 관심입니다.

입자 추적 (PT), 개별 입자 궤적, 그리고 입자 이미지 velocimetry4,5 (PIV)의 통계 기법을 추적, 라는 입자 움직임을 측정 하는 기존 기술 흐름을 측정 하는 데 사용 속도, 둘 다 비-간섭 광 기술을 통합합니다. 이 아닌-관입 광학 기법을 사용 하 여 흐름 및 입자 운동학을 동시에 측정 하는 주요 과제는 다른 측정 정확도 (방해할 수 각 이미징 기술에 필요한 별도 조명 예를 들어, 입자 운동학을 측정 하기 위한 조명 소스 수 없습니다 역할을 유체 속도 측정 및 역도에 상당한 잡음 소스). 이미지의 두 세트에서 이미지 대비 충분 한 신뢰할 수 있는 결과를 얻이 필요 합니다. 예를 들어 태평양 표준시 이미지 결정 입자 위치; blob 분석을 수행 하기 위해 흑인과 백인 이미지 변환 됩니다. 따라서, 부족 대비 오류 입자 위치에 이끌어 낸다. PIV 이미지 금액 유체 속도의 추정에 부정확 하면 낮은 신호 대 잡음 비율의에서 불 쌍 한 대비.

여기, 동시에 두 입자 운동학 및 흐름 속도 측정 하는 상대적으로 비용이 저렴 하 고 간단한 방법을 설명 합니다. 고 출력 단색 발광 다이오드 (LED) 라인, 라인 밝은 조리개와 듀얼 헤드 고 강도 레이저를 참조의 사용을 통해 관심과 흐름 필드의 두 입자는 몇 군데 같은 지역에서 동시에. LED의 고 출력 고속 카메라 (추적된) 입자의 이미징에 대 한 충분 하지만 PIV 이미지 영향을 주지 않습니다 때문에 빛의 강도 PIV 추적기에서 흩어져 너무 낮습니다. 때 듀얼 헤드 고 강도 레이저 조명 흐름 필드 PIV 이미지에 대 한 짧은 시간 간격 동안 발생 하 고 이러한 이미지는 쉽게 식별 하 고 등록 때 고속 PT 카메라에 의해 얻은 시계열에서 제거. PIV는 시리즈 하지 서로 알맞은 프레임 수집 속도에서 두 시스템을 실행 하 여 최소화할 수 있습니다 고속 이미지 (입자 추적 사용) 시간에 기록 하는 펄스 레이저. 고급 설정에서 하나 수 외부 방 아 쇠 지연이 발생 하지 않는 것을 태평양 표준시 및 PIV 카메라. 마지막으로, PIV 시야 (FOV) 내에서 추적 되 고 입자의 금액의 심사 숙고 하 여 PIV 이미지의 상관 관계 분석에서 이러한 추적된 입자에 의해 도입 된 모든 오류는 이미 고려 전체 오류 추정에 의해 PIV 추적기 심문 창 내에서 비 균등 분포와 관련 된 포함 한 오류. 추적기를 시드 PIV의 대부분 정확한 흐름 속도 견적 저조한 흐름을 따르고 있다. 이러한 기술을 모두 입자 운동학 및 흐름 필드의 2 차원 평면에 직접 동시 측정 가능

이 기술은 결정 난 류, 양 및 수 줍 어6 제이콥스 외. 연구에 사용 되는 유사한 특성을 정착 하는 입자를 적용 하 여 설명 7. 앙금 수송, 일반적으로 이루어져 있다 앙금 정지, 전송 및 정착에 마지막 단계는 입자 정착. 대부분 이전 연구에서 난 류 흐름에 정착 하는 입자를 해결, 또한 입자 궤적 또는 난 류 속도 직접 측정 하지 하지만 이론적으로 유추 또는8,,910모델. 입자 및 난 기류 사이 상호 작용에 가장 자주 조사 둘 다를 동시에 측정에 실험적인 제한으로 인해 이론적 및 숫자 모델을 사용 하 여6,11. 선물이 어디 우리가 난 기류와 입자와 그들의 결합의 침전 속도 연구, 진동 그리드 시설에서 입자-난 기류 상호 작용 사례 연구. 명확성을 위해,이 우리가 참조 한다 "입자"와 "추적기"; PIV 기법에 대 한 사용 시드 입자 조사 입자를 또한, 우리는 "입자 추적", "태평양 표준시", 또는 "고속", 측정 카메라는 "고속 이미지"와 "PIV 카메라" PIV 메서드에 사용 카메라, 입자 궤도의 고속 이미징에 사용 하는 카메라를 참조 것입니다는 "이미지"를 측정합니다. 여기에 설명 된 메서드는 시설 내에서 미리 정의 된 필드 입자 운동학 및 유체 역학의 동시 측정을 수 있습니다. 취득된 데이터는 입자 기류 상호 작용의 2 차원 설명을 제공합니다.

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Protocol

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참고: 모든 직원 안전 사용 및 안전 사용에서 뿐만 아니라 클래스 4 레이저의 작동 및 손 및 전력 도구 운영에 훈련 한다.

1. 실험 설정

  1. PIV 설치
    1. 듀얼 헤드 레이저 및 광학 설정 합니다.
      1. 레이저 광학 접시에 놓습니다. 시설의 바닥에 관하여 (또는 중력 가속도와 정렬 수직 속도를 바란다면 지상에 관하여) 레이저 레벨 고 세로로 정렬 될 이미지를 2D 평면의 센터와 레이저 빔을.
      2. 광학 접시에 그것을 확보 하 여 레이저 광선의 경로에 원통형 렌즈를 배치 합니다. 렌즈는 2D 평면에 광선을 형성할 것 이다. 2D 평면 이미지의 크기는 렌즈 및 조사에 지역에서 거리의 초점 거리에 따라 달라 집니다. 조명 하는 지역 특정 응용 프로그램에 대 한 충분히 큰 때까지 렌즈와 거리를 조정 합니다.
      3. 원통형 렌즈와 2D 이미지 평면 사이 광학 접시에 구형 렌즈를 배치 합니다. 구형 및 원통형 렌즈와 구형 렌즈의 초점 거리는 2D 평면 조명된 (빛 시트)의 두께 결정 합니다. 빛 시트는 약 0.5-1 m m 두께이 거리와 렌즈의 초점 거리를 조정 합니다.
    2. 놓고 PIV 카메라의 예비 보정을 수행 합니다.
      1. PIV 카메라, 턴 무료/연속 모드, PIV 카메라에 렌즈를 부착 하 고 개의 PIV 카메라 초점. 조정 하는 충분 한 빛이 이미징 센서; 받을 수 있도록 PIV 카메라의 f-그만 이 f-설정 레이저 기반 조명 대 룸의 하얀 빛을 사용 하는 경우 달라질 수 있습니다.
        1. 이미지의 크기 때까지 관심 영역을 관찰 렌즈와 거리를 조정 합니다. 다양 한 렌즈와 PIV 카메라와 빛 시트 사이의 거리는 PIV 카메라의 이미지의 실제 크기를 결정합니다. 이상적으로, 이미지의 크기 보다 작은 (또는 유사한) 해야 1.1.1에 빛 시트 설치의 크기.
      2. PIV 카메라 수직 빛 시트를 확인 하 고 조 악 하 게 높이 조정 되도록 관심 영역 빛 시트 경계-에 의해 정의 된 참조 단계 1.1.1 PIV 카메라-의-시야 (FOV) 내.
      3. PIV 카메라 흐름 시설 하단에 관하여 (또는 지상 중력 가속도와 정렬 수직 속도를 바란다면 기준) 수준. 그것은 최고의 중요성의는 PIV 카메라 빛 시트를 정확 하 게 수직 그래서이 철저 하 게 검사 되어야 한다입니다.
      4. PIV 카메라를 끄고 레이저를 켭니다. 교정 대상 장소 및 빛 시트의 중심으로 맞춘 다음 레이저를 해제.
        참고: 교정 대상 차원 접시 (일반적으로 강성을 위해 금속으로 만든), 정기적으로 간격된 격자 형성에 여러 표시 (예, 점 또는 교차)를 포함 하는. 접시는 보통 페인트 검정 흰색 마커. 표식 사이 알려진된 거리 실제 단위와 픽셀 사이의 변환 요인의 추정 수 있습니다.
      5. PIV 카메라 다시 켜고 교정 대상에 PIV 카메라의 초점을 수정. PIV 카메라의 픽셀 해상도 지역 공간;에서 해결 하는 수 있는 얼마나 잘을 결정할 것입니다. 따라서, 그것은 (참조 2.1.1 단계와 단계 2.1.4 자세한 내용은 이러한 고려 사항에) 고려 되어야 한다.
      6. 하나의 이미지를 캡처하십시오. PIV 카메라 교정 대상의 열에 따라 수평 위치는 일치 뿐만 아니라 교정 대상의 행에 걸쳐 높이 일관 하 여 수준입니다 확인 합니다. 최소화 해야 하는 이미지 왜곡의 양을 평가 하기 (픽셀)에 이미지의 각 모서리에 교정 표시자의 크기를 확인 합니다. 네 모서리의 각 교정 표시자의 크기 차이 0;이 되어야 이상적으로 하지만 이상 1 픽셀씩 다 하지 해야 합니다.
    3. 흐름에 PIV 추적기를 추가 합니다.
      1. 그는 중립 부 력 (액체와 비슷한 밀도), 화학적 불활성, 적절 한 크기와 모양 (구형, 흐름을 따라 충분히 작은) 적당 한 추적기를 선택 고 유체12,13 상대적인 높은 인덱스의 굴절 .
        참고: 액체 물이 제시 사례 연구, 우리 이용 했다 빈 유리 분야 평균 직경 10 μ m의와 1.1 g/cc의 조밀도.
      2. 흐름으로 PIV 추적기를 소개 하 고 실행 하는 시설 (격자 진동) 그들은 잘 혼합 때까지. 증분는 추적기를 소개 하 고 이미지 품질과 내 추적기 밀도의 수준 평가.
        참고: 추적 회색 레벨 강도와 배경 강도 사이 큰 별거 최적입니다.
        1. 레이저에 공전 하 고 무료/연속 모드에서 이미지를 수집 하 여 평가 합니다. 이미지에서 추적기 집중 하지 얼룩 덜 룩 한4,14하지만 밀도 이어야 한다. 그것은 주위에 제안으로 농도 수준 선택에서 원하는 상관 관계 창의 크기를 고려는 PIV에서 8-10 분명 입자 쌍 쌍4 교차 상관 분석 대 한 이미지 (2.1.1 단계 참조).
    4. PIV 매개 변수를 설정 합니다. PIV 매개 변수 (이 레이저 듀얼 펄스 반복 속도와 동일)는 PIV 카메라 프레임 속도, 이미지 쌍 (즉, 연속 (듀얼) 레이저 펄스 간의 타이밍), 그리고 이미지 쌍 수 수집 사이 타이밍으로 구성 됩니다. 이러한 설정의 구체화 단계 1.1.5에서에서 결과의 검토 후 필요할 수 있습니다.
      1. PIV 카메라 및 레이저 (프레임 속도)의 타이밍을 설정 합니다. 이러한 샘플링된 속도 벡터 지도의 시간 분해능을 결정 하 고 해야한다 흐름의 절반 작은 시간 규모까지 가능 (PIV 카메라, 레이저, 또는 하드 디스크 공간 제한) 높은.
      2. 연속 PIV 이미지 (즉, PIV 이미지 쌍) 간의 타이밍을 설정 합니다.
        1. (2.1.1 참조) 심문 윈도우의 크기와 시설에의 평균 흐름 속도에 따라 연속 PIV 이미지 사이의 타이밍을 설정 합니다. 약 1/4-1/2를 치환 하는 추적기는 심문의 시간에서 창 크기 연속 이미지 사이의 경과. 연속 이미지 사이의 시간 또한 두 레이저 펄스 간의 타이밍을 설정합니다.
        2. 미리 PIV 카메라의 셔터를 열은 후 짧은 시간을 첫 번째 펄스를 정의 합니다. 교차 상관 PIV 카메라를 사용 하 여, PIV 카메라 버퍼 메모리에 이미지를 저장 하 고 다시 셔터를 다시 엽니다.
        3. 여기에 시간 설정에 따라 두 번째 레이저 펄스를 화재. 일단 두 번째 펄스 화재, 카메라의 셔터가 닫습니다 다시, 프레임 그래버 (또는 온 보드 PIV 카메라 메모리)에 두 이미지를 보내는.
        4. 첫 번째 펄스 사이의 시간을 트리거 이미지 쌍의 첫 번째 이미지의 수집 및 PIV 카메라 프레임에 의해 후속 이미지 쌍의 첫 번째 이미지의 인수는 첫 번째 펄스 속도 (1.1.4.1 참조)를 확인 합니다.
      3. 수집 하 이미지 쌍을 설정 합니다. 수집 하 이미지 쌍 수 실험 설정에 따라 다릅니다 하지만 이미지 쌍의 수천 수백의 범위에 일반적으로 통계 흐름 속성의 융합 되도록 선정 되어야 한다.
    5. PIV 설치를 테스트 합니다.
      1. 레이저 두 레이저 머리에 대 한 외부 트리거 모드를 설정 하 고 레이저 힘 증가. 완전히 방을 어둡게.
      2. 몇 초 동안 동기화 된 연속 모드에서 데이터 수집을 시작 합니다.
      3. 데이터 수집을 중지 합니다.
      4. 상관 관계가 이미지 크로스 쌍 수집 (2.1.1 참조).
        1. 경우 신호 대 잡음 비율을 전달 하는 좋은 벡터의 비율 (두 번째 높은 상호 상관 피크의 비율 가장 높은 상관 관계 피크 크로스-2.1.1 참조) 심문 윈도우 내에서 변위는 상위 90% 범위 또는 평균 추적 프로그램에 안 약 0.25-0.5 심문 창 크기를 반복 하 고 달성 될 때까지 올바른 구현의 1.1 절의 단계를 확인. 이러한 값은 일단, 시설 (정지 격자 진동)를 중지 합니다.
  2. 2D 고속 입자 추적 설정
    1. 단색 LED 라인 라이트를 놓습니다.
      1. LED 라인 라이트는 큰 조사 (예: 퇴적 입자) 입자를 조명 backscattered 강도 (큰 차이 액체에 관하여 입자의 굴절 색인에에서)을 선택 합니다. 그것은 또한 또는 PT 카메라와 함께 동기화 할 수 있는 속도로 지속적으로 밝히는 수 있어야 합니다.
      2. PIV 빛 시트 두께 이상적으로 일치 하지만 하지 PIV 빛 시트 두께 보다 10 배 두꺼운 입자 밖으로의 비행기 움직임으로 인해 어떤 모호성을 줄이기 위해 선 빛의 두께 최소화 합니다.
      3. 일치 또는 포괄 PIV FOV 발광 선 폭 크기. (예를 들어, PIV 빛 시트 측면에서) 및 바닥에서 LED 빛 막힘의 문제가 그렇게 레이저에 의해 생성 된 빛 시트를 수직 LED를 탑재 합니다. 그림 1을 참조 하십시오.
      4. PIV 빛 시트 두께 LED 라인 라이트 간격 내에서 중심은 그런 LED 라인 라이트를 맞춥니다. 만이 맞춤을 달성 하기 위해 LED 조명의 위치 조정. PIV 빛 시트의 움직임 1.1 절의 단계를 반복 해야 합니다.
    2. 놓고 고속 PT 카메라의 예비 보정을 수행 합니다.
      1. PT 카메라에 렌즈를 부착, 무료/연속/라이브 모드에서 PT 카메라 켜고 개의 PT 카메라 초점. 필요한 경우, 충분 한 빛이; PT 카메라의 이미징 센서를 받을 수 있도록 PT 카메라 f-조정 이 f-설정 룸의 백색 광 LED 기반 조명 대를 사용 하는 경우 달라질 수 있습니다. 다양 한 렌즈와 카메라와 빛 LED 라인 사이의 거리 PT 카메라의 이미지의 실제 크기를 결정합니다. 이상적으로, PT 카메라 FOV (또는 유사한) 보다 작은 될 led 조명 영역 크기.
      2. 고속 카메라는 선 빛을 수직을 확인 하 고 덜 관심 영역 PT 카메라의 FOV 내 고 PIV FOV 포함 되도록 높이 조절.
      3. PT 카메라 흐름 시설 하단에 관하여 (또는 지상 중력 가속도와 정렬 수직 속도를 바란다면 기준) 수준. 그것은이 철저 하 게 검사 되어야 한다 그래서 PT 카메라 될 정확 하 게 조명, 선 조명 평면에 수직인 최고 중요성 이다.
      4. PT 카메라를 끄십시오, 선 빛 그리고 선 라이트의 중심에 정렬 교정 대상 장소 빛 선 해제.
      5. 교정 대상에 초점을 수정 및 PT 카메라 다시 켭니다. 이미지의 크기는 충분 한 관심 영역을 관찰 하 여 PIV FOV 포함 될 때까지 추가 렌즈와 거리 구체화 합니다.
      6. 고속 PT 카메라 FOV PIV FOV 보다 큰 렌즈와 거리를 선택 합니다. 이 배치는 PIV 카메라와 고속 PT 카메라 차단 하지 않는 물리적으로 서로 확인 하기 위해 필요 하다.
      7. PT 및 PIV 카메라를 수직으로 정렬 (스택) 또는 각 측면에 대 한 오프셋. 그것은 고속 PT FOV PIV FOV에의 한 모서리를 정렬 편리할 수 있습니다. PT 카메라의 픽셀 해상도 지역 공간;에서 해결 하는 수 있는 얼마나 잘을 결정할 것입니다. 따라서, 그것은 고려 되어야 한다. 실제 단위와 픽셀 사이의 변환 인수 1 픽셀씩 덮여 물리적 거리를 결정 합니다. 입자 연속 이미지 사이의 약 3-10 픽셀을 치환 한다이 변위는 너무 큰 (또는 작은) 경우 FOV는 너무 작은 (또는 큰) 또는 픽셀의 수는 너무 큰 (또는 작은) 때문에 다음 입자 수 안 치환 이상적인 이미지 (또한 참조 1.2.3.2) 사이의 픽셀 수입니다.
      8. 조사에 대 한 입자를 선택 합니다.
        1. 추적기를 시드 PIV 보다 훨씬 더 큰 관심의 입자를 사용 하 여 충분히 조사 입자와 PIV 추적기 사이 구별 하기 위하여. 우리 입자 PIV 추적기 보다 약 5 배 크게 성공 하 고이 하한값을 고려 하지만 제한 수 입자 굴절율 및 광원에 따라 달라 집니다. 조사 입자 주위 포괄 해야 고속 카메라 이미지에 지역에서 4-5 픽셀. 따라서, 조사 입자의 크기 PIV 이미지 보다 고속 이미지에 대 한 더 적은 픽셀 해상도 대 한 수 있습니다.
        2. 이 단계를 달성 하는 데 필요한 1.2.2.1-1.2.2.5 단계를 반복 합니다.
      9. 교정 대상의 이미지를 취득 합니다. PT 카메라 교정 대상의 행에 걸쳐 높이 일치 하 고 따라 교정 대상의 열 수평 위치 일치 하 여 수준을 확인 합니다. 또한 최소화 해야 하는 이미지 왜곡의 양을 평가 하기 위해 이미지의 각 모서리에 교정 표시자의 크기를 확인 (이상 1 픽셀은 다 하지).
    3. 고속 카메라 매개 변수를 설정 합니다. (이 경우에 노출 시간 설정) PT 카메라, 풀 프레임 (프레임 속도 증가 또는 수집 시간 연장 픽셀 binning), PT 카메라 해상도 이미지의 수의 프레임 속도의 고속 카메라 매개 변수 구성 수집.
      1. 이미지의 수를 설정 (즉, 획득 시간의 길이)를 수집. 수집 하는 이미지의 수 영향 측정 입자 궤도의 수-더 이상 수집 시간, 측정 될 수 있다 더 많은 궤도.
      2. 설정에서 프레임 속도 (노출 시간) 및 고속 PT 카메라의 해상도.
        1. 동일 또는 PIV 프레임 속도의 배수인 고속 이미지 수집 속도 설정 하지 마십시오. 흐름에서 입자의 예상된 속도에 따라 프레임 속도 설정 합니다. 입자 입자 위치에서 두 개의 연속 이미지; 중복 인스턴스를 피하기 위하여 이상의 1 또는 2 픽셀 치환 한다 그러나, 큰 격차 (> 10 픽셀) 입자 궤적의 손실 저조한 연속 이미지에서 동일한 입자를 식별에 더 적은 신뢰 귀 착될 것 이다 (2.2.4 참조). 이 범위 (3-10 픽셀)에서 입자 변위를 달성 하기 위해 PT 카메라 해상도 프레임 속도 조정 합니다.
    4. 고속 카메라 설치를 테스트 합니다.
      1. 턴 LED 라인 라이트와 달리 방을 어둡게.
      2. 시설 (격자 진동 시작)을 실행 합니다.
      3. 입자 흐름으로 소개 하 고 입자 고속 카메라의 FOV에 표시 후 몇 프레임을 캡처. 연속 프레임을 오버레이 하 고 연속 프레임에 입자를 구분할 수 있는지 여부를 평가 합니다.
        1. 고속 카메라의 FOV 입자의 개론 발생 하는지 충분히 FOV 멀리 입구 효과 무시할 수, 입자의 밀도 충분히 자주 인스턴스 내에서 입자의 중복 하지는 스파스 확인은 고속 이미지 FOV, 그리고 입자 모션 카메라 FOV/PT 카메라 이미지 역사에에서 눈으로 하는 입자 추적 몇 군데 비행기에 주로.
        2. 이러한 결과 얻지 못하면, 다음 반복 하 1.2 달성. 일단 달성, 중지 (중지 격자 진동) 시설.
  3. 결합 된 최종 교정
    1. PIV와 PT 카메라 FOVs에 LED 및 PIV 빛 시트 내에서 교정 대상 위치. 교정 대상 고속 PT 카메라, PIV 카메라 공개 해야 합니다. 두 카메라 초점에서 인지 확인 합니다. 초점에서 없는 경우, 1.1과 1.2 단계 각각 PIV 카메라와 고속 카메라에 대 한 반복 될 필요가 있다.
    2. 하나 이상의 고유 마크 고속 카메라 FOV와 PIV 카메라 FOV에서 볼 수 있는 교정 대상에 있는지 확인 합니다. 측정 하 고 이미지 사이의 공간 등록의 목적에 대 한 물리적 공간에서이 독특한 마크의 위치를 나타냅니다.
    3. 캡처하고 고속 PT 카메라 교정 대상의 하나의 이미지를 저장 하 여 고속 카메라를 보정. PIV 카메라 같은 방법으로 보정.
    4. 교정 대상 액체에서 제거 합니다.
  4. 데이터 컬렉션
    1. 시설을 실행 (격자 진동) 정상 상태 (~ 20 분)에 도달할 때까지.
    2. 방을 어둡게 한 LED에 빛 조명 조건을 설정 합니다. 유체에 입자를 추가 합니다.
    3. 동기적으로 첫 번째 입자 (라이브 모드)에서 고속 PT 카메라 FOV에에서 나타날 때 두 시스템에 대 한 이미지 수집을 시작 합니다.
    4. 고속 PT 카메라에 대 한 RAM에서 고속 이미지를 다운로드 하 고 PIV 카메라에 의해 획득 하는 이미지를 저장 합니다.
    5. 시설을 중지 (중지 격자 진동).

2. 이미지 분석

참고: 많은 소프트웨어 패키지 PIV 및 PT 이미지 분석-을 수행 하기 위해 사용할 수 있는 상업 및 프리웨어 있다. PIV 분석, 프리웨어 코드는 OpenPIV (http://www.openpiv.net/) 및 MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). 상업 회사는 또한 PIV 분석 소프트웨어를 판매 한다. PT 분석에 대 한 수많은 입자 추적 코드 3D와 2D 입자 추적 (https://omictools.com/particle-tracker-tool); 같은 존재 다양 한 소프트웨어 플랫폼의 전체 목록은 여기에서 찾을 수 있습니다: https://omictools.com/particle-tracking-category 또는 http://tacaswell.github.io/tracking/html/. 대부분의 분석 패키지, 예를 들면, MATLAB, 도구를 상대적으로 쉽게 구현할 수 자신의 추적 코드에 내장. 이 연구OpenPIV에서제공 하는 결과 대 한 TSI 통찰력, 그리고 MATLAB 사용자 작성 코드 추적 사용 되었다.

  1. PIV 이미지 분석
    1. 표 형태 창의 심문 (예를 들어, 64 x 64 픽셀2 50% 중복)는 각 창에 평균 유 속으로 간 연관 2 연속 PIV 이미지 (즉, PIV 이미지 쌍)에 의해 계산 됩니다에 각 이미지를 분하시오 PIV 설치, 1.1.4.2 섹션에서에서 설명합니다.
      참고: 각 창에서 피크 상관 관계와 윈도우의 중심 사이의 거리는 그 창에서 평균 추적 변위를 정의합니다. 일단 보정, 연속 PIV 이미지 (PIV 이미지 쌍-단계 1.1.4.2 참조) 사이의 시간을 나눈이 변위 각 위치4에서 속도의 두-평면 구성의 견적을 생성 합니다. 총칭, 그것 이라고 하는 속도 벡터 지도. PIV 분석에 의해 생산 하는이 거리의 절반으로 계산된 속도 흐름 필드의 해상도 결정 하는 심문 창의 크기 간격 벡터. 물리적 단위 변환 계수를 픽셀 함께이 간격 측정된 흐름 필드의 해상도 설정합니다. 또한, 잘못 된 벡터 (2.1.2 참조)의 낮은 수를, 추적기의 충분 한 수 각 창 (적어도 8-10 추적기)에 존재 하며 그들은 더 이상 약 ¼ ½ 창 크기의 치환 하지 해야 합니다.
    2. 속도 벡터 지도에서 가짜 결과 제거 하려면 간 상관 관계의 결과 필터링 합니다.
      1. 신호 대 잡음 (SNR) 필터를 적용 합니다. 1.5의 그리고 특히 비율 요구는 일반적으로 사용 (이 숫자는 특정 실험 조건에 따라 변경 될 수 있습니다).
        1. 설정 중 하나를 SNR 첫 번째 및 두 번째 사이의 비율 심문 창이 나는 첫 번째 평균 상관 관계를 특정 심문 창 사이의 비율에 높은 상관 관계 피크. 실험의 각 세트에 대 한 SNR 비율을 최적화 합니다. SNR 확인이 실패 하는 벡터의 수는 10%를 넘지 말아야 한다.
      2. 잘못 된 벡터 (2.1.2.2 단계와 단계 2.1.2.3 사이 5%를 초과 하지 않는) 나머지 필터 속도 지도 의미 지도 속도의 3 개의 표준 편차 전후로 각 개별 속도 벡터를 비교 하 고 제거 하는 전체 필터를 사용 하 여 이 범위 속도입니다.
      3. 잔여 벡터 (2.1.2.2 단계와 단계 2.1.2.3 사이 5%를 초과 하지 않는) 속도 주변 이웃의 평균 속도와 각 개별 속도 벡터를 비교 하 여 로컬 필터를 사용 하 여 벡터, 일반적으로 5 x 5 크기에 잘못 된 필터.
        참고: 중간 고 동네 크기 사용 하 여 특정 실험 조건에 따라 변경할 수 있습니다.
    3. 일반적으로 크기가 5 x 5의 단계 2.1.2 주변 이웃 벡터 정보를 사용 하 여 보간된 벡터 (또는 이웃 중간)에서 발견 하는 잘못 된 벡터를 교체 합니다.
    4. 거리-픽셀 변환 비율을 결정 합니다. 1.3.3 단계에서 몇 군데 교정 대상에 마커 사이의 거리를 사용 하 여 특정 거리를 번역 하는 픽셀 수를 검사 합니다.
    5. 벡터를 보정. 물리적 단위 단계 2.1.4에서에서이 변환 인수를 사용 하 여 설정 단계 1.1.4.2;에서 이미지 쌍 사이의 시간 단계 2.1.1-2.1.3에서 계산 된 벡터 변환 픽셀 단위에서 변위 속도 물리적 단위에서 변환.
  2. 고속 이미지 분석
    1. PIV 레이저 흐름을 조명 했다 고속 이미지 시계열에서 모든 프레임을 제거 합니다.
      1. 취득 하는 각 프레임의 강도 값 합계. PIV 레이저 깜박이 프레임 PIV 레이저 이미지에 활성 하지 않고 그 보다 훨씬 큰 총계 강도 있다. 요약된 강도에 임계값에 따라 달라 집니다, 임계값 보다 큰 총계 강도 시간 계열에서 모든 이미지를 제거 합니다. 1.2.3.2 프레임은이 발생의 최소화에 대 한 섹션을 참조.
    2. 임계값을 사용 하 여 이진 이미지에 나머지 회색조 이미지를 변환 합니다. 이 경우에, 우리는 화이트와 블랙을 배경 입자를 변환 하는 임계값을 결정 하 오 츠의 메서드를 사용 합니다.
    3. 각 이미지에 대 한 blob 분석을 수행 합니다.
      1. 흑인과 백인 이미지-라 함 개체에서에서 연결의 영역을 식별 합니다. 일반적으로, 8 픽셀의 연결 사용 됩니다.
      2. 지역 (즉, 개체는 이미지에서 사용 하는 픽셀의 숫자)에 있는 훨씬 작은 개체를 제거 3 픽셀 주위 일반적으로 이미지의 픽셀에 일반적인 입자 크기 보다.
    4. 입자 궤적을 계산 합니다.
      1. 첫 번째 이미지의 모든 (나머지) 개체의 중심을 식별 합니다.
      2. 감지 된 각 개체에 대 한 이전 이미지에 중심 근처 지역에서 검색 하 여 같은 개체에 대 한 후속 이미지 검색. 입자/개체 검색 창 내에서 발견 되는 경우에 계속 궤적, 그리고 그 이미지;에 중심의 위치를 기록 그렇지 않으면, 궤적을 종료 합니다.
        참고: 너무 큰 검색의 검색 영역으로 결과에서 바이어스를 발생 하지 않고 가능 한 한 많이 제한 해야 하므로 지역 후속 이미지에서 입자의 잘못 된 식별 될 수 있습니다. 경우 후속 프레임에서 개체 위치를 자주 검색 윈도우의 최대 범위에, 검색 창은 충분 하지입니다.
      3. 2.2.4.2 단계를 반복 하 여 개체가 더 이상 후속 이미지에서 찾을 수 없습니다. 이 경우 궤적으로 간주 됩니다 종료.
        참고: 경우 입자의 대부분은 일관 되 게 짧은 (예: 보다 작음 5 프레임), 다음이 결과 나타낼 수 있습니다 중요 한 3 차원 모션 이며이 방법은 적합 하지 않습니다. 엄지손가락의 규칙으로 서 입자 트랙 FOV14; 추적 입자의 ¼ 이상 이어야 하지만 특정 트랙 길이의 필요성 응용 프로그램 다를 수 있습니다.
      4. 2.2.4.1-2.2.4.3가 이미 프레임 1에서에서 추적 되는 모든 개체에 대 한 두 번째 프레임으로 시작 하는 단계를 반복 합니다. 모든 가능한 시작 프레임에 대해이 프로세스를 반복 합니다. 결과 실험을 통해 입자 궤도의 라이브러리 될 것입니다.

3입니다. 분석

  1. 입자 속도 태평양 표준시에 대 한 사용 하는 고속 이미지에서 얻은 위치 궤적에서 가속도 계산 합니다.
    1. 차별화 입자 궤적에 컴파일된 2.2 시간 (단계 1.2.3.2에서에서 프레임 속도 설정에 따라)에 각 방향으로 속도 계산 하. 이 시간 차별화 단위 시간 당 픽셀에서 입자의 Lagrangian 속도의 견적에서 발생합니다.
      참고:이 단계는 입자의 속도 정보를 원하는 경우 수행할 수 필요 합니다.
    2. 거리 단위 시간 당 단위 시간 당 픽셀에서은 속도 변환 하 여는 속도 보정. 1.3.3 단계에서 몇 군데 교정 대상에 마커 사이의 거리를 검사 하 여 변환 계수 (픽셀 당 거리)를 얻을 수 있습니다.
  2. PIV 벡터 지도 사나운 수량 계산에 레이놀즈 분해를 수행 합니다.
    1. 2.1 단계에서 얻은 PIV 벡터 지도에서 각 위치에서 수집 된 모든 PIV 속도 벡터 지도 통해 앙상블 평균을 계산 합니다.
    2. 3.2.1 난 류 속도 변동의 시계열을 얻기 위해 각 지도에서 순간 속도에서 계산이 평균 값을 빼서 레이놀즈 분해를 수행 합니다.
    3. 관심, 예를 들어 난 류 속도 루트-의미-스퀘어 (RMS)의 통계를 계산 합니다. 또는, 하나는 궤도 내의 정확한 입자 위치에 사나운 변동 검사할 수 있습니다.

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Representative Results

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실험적인 체제의 회로도 그림 1에 표시 됩니다. 그림 빛 시트 (LED 및 레이저)의 배열, 오버랩, FOVs 및 FOVs 진동 그리드 및 탱크 벽의 위치에 있습니다. 소란과 입자 프로토콜 섹션에 설명 된 대로 동시에 측정 됩니다. 그림 2 의 순간 속도 함께 샘플 입자 궤적 전단 측정 결과 예를 보여 줍니다. PIV 분석의 결과 사나운 동요의 RMS 계산에 따라 평가 됩니다. 이 진동 그리드 시설에 대 한 PIV FOV에 RMS 속도 동요의 공간적 의미의 크기는 두 속도 구성 요소7,15그리드 주파수와 함께 증가 한다. 이 결과 얻지 못하면, 다음 그리드 시설, PIV 설치 또는 PIV 분석 오류가 고 반복 해야 합니다. 다른 그리드 주파수에 대 한 RMS 속도 동요의 수직 프로 파일의 예는 그림 3, 어디 그것은 RMS 사나운 변동 그리드 주파수 증가 표시에 제공 됩니다.

입자 궤적은 그림 4와 같이 입자 궤적에서 얻은 속도의 분포를 검토 하 여 평가 됩니다. 이러한 배포판 약 가우스 분포에서 해야 합니다. 그들은 하지 않습니다, 경우 다음 있을 수 있습니다 특정 조건에 따라 고속 이미지 획득 고속 이미지 또는 입자 궤도의 수가 부족의 분석에 문제가 문제. 이 방법의 특정 응용 프로그램에서 궤적 결과의 유효성 검사도 얻을 수 있습니다 비교 하 여 정체 하는 물에 대 한 디트리히16 곡선. 입자는 그림 5에서 같이 이러한 경험적 곡선와 대략 일치 침전 속도 산출 해야 한다에 대 한 여기에 설명 된 동일한 절차를 사용 하 여 여전히 물에 궤도 계산 어디 정체 흐름에 대 한 결과 상태 표시는 디트리히와 계약16 곡선. 그림 5 는 또한 입자 제이콥스 에 난 기류에 침전 속도 증가 하는 경향이 보여 줍니다. 7.

Figure 1
그림 1: 그리드 난 기류 탱크, 입자 이미지 velocimetry 설치 (CCD (PIV) 카메라와 레이저를 사용 하 여), 그리고 2D 고속 이미징 입자 추적 설정 (CMOS (PT) 카메라를 사용 하 여 LED 빛으로 구성 된 실험적인 체제의 회로도 설명 ). 회로도에 차원 센티미터에 제공 됩니다. 이 그림에서 제이콥스 에 표시 된 수정 되었습니다. 7 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2: 속도 분포 및 궤도. (A) 픽셀/s 색상 특징 즉각적인 전단에 중첩 벡터로 표현 예제 순간 유체 속도 분포. 왼쪽된 아래 모서리에 빨간색 배율 벡터 500 픽셀/s의 (B) 5 Hz 격자 진동에 261 평균 µ m 직경을 가진 입자의 (30 PT 이미지) 이상 경과 궤적의 예를 나타냅니다. 이 그림의 B 패널 제이콥스 에 표시에서 수정 되었습니다. 7 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3: 수평 평균 가로 (a)와 (b) 수직 사나운 변동 (범례 참조) 모든 그리드 주파수에 대 한 RMS의 수직 단면도. 사나운 RMS 속도 그리드 주파수 증가. RMS 값은 모든 위치에서 계산 하 고 다음 이후 수직 프로필 표시를 각 수직 위치에서 모든 수평 위치 (50 점) 동안 평균 500 벡터 지도 기반으로 합니다. 이 그림에서 제이콥스 에 표시 된 수정 되었습니다. 7 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4: 입자의 히스토그램 261 µ m 평균 직경 및 (B, 오른쪽 2 자연 (불규칙 모양의) 모래 입자 (A, 왼쪽된 두 개의 패널)에 대 한 정체 하는 물 및 난 류 조건 (자막 참조)에서 수평 및 수직 속도 측정 패널) 71 µ m 평균 직경을 가진 둥근 합성 입자. Subplots에 라인은 히스토그램을 가우스 맞는. 이 그림에서 제이콥스 에 표시 된 수정 되었습니다. 7 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5: 입자의 여러 가지에 대 한 입자 크기 대 정체 및 난 류 흐름 조건에서 속도 정착. 색상 다른 앙금 유형을 나타내는 범례에서 볼 수 있듯이: 합성 또는 제조 된 입자, 여러 산업 모래 종류 (120, 100, 35), 그리고 머틀 비치, 사우스 캐롤라이나-참조 표 1 제이콥스 에 지역 해변에서 모래 7 대 한 자세한 내용입니다은. 채워진된 원을 포함 한 기호 나타냅니다 어디 정체 흐름 조건 범례에서 그리드 주파수로 표현 0 주파수를 말합니다. 그리드 주파수 증가, RMS 난 류 속도 변동 수가 증가 합니다. 디트리히16 정체 하는 물에서 입자 침전 속도 대 한 경험적 곡선 또한 여러 가지 다른 모양 요인에 대 한 표시 됩니다. 이 그림에서 제이콥스 에 표시 된 수정 되었습니다. 7 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

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여기에 설명 된 메서드는 상대적으로 저렴 하 고 동시에 입자 운동학에 흐름의 영향을 시험 하기 위하여 입자 궤적 및 난 기류를 측정 하는 간단한 방법을 제공 합니다. 그것은 흐름 또는 입자 움직임을 강력 하 게 3 차원이 기술은 적합 하지 않습니다 말할 것도 주목 된다입니다. 밖으로의 비행기 움직임 추적 2D에 PIV 분석 오류17 귀 착될 것 이다 하 고 최소화 한다. 또한, 방법 (순서 PT 이미지 당 입자의 수만) 상대적으로 낮은 것으로 추적된 입자의 농도를 요구 한다. 이 제한은 연속 이미지에서 동일한 입자가 추적 되 고 자신감을 극대화 하기 위해 중요 하다. 만약 너무 많은 입자 궤적 계산에서 다음 부정확 PT 카메라의 FOV에 동시에 존재 하 고 궤도의 조기 종료는 PIV 이미지 분석에서 증가 오류 뿐만 아니라 발생할 수 있습니다. 따라서, 입자 응집과 관련 된 문제 조사 큰 입자 농도 일반적으로 필요 하기 때문에이 기술이 어려운 것입니다. 마지막으로,이 기술은 더 큰 입자를 추적 하는 데 가장 적합은 (> 50 µ m). 추적 되는 입자에서 PIV 추적기 (~ 10 µ m)를 충분 하 게 구분 해야 합니다. 적어도 5 배는 제안 했다.

추적 입자에 대 한 프로토콜의 가장 중요 한 단계 보정 단계, 프레임 속도, 이미지, 고 보장 고속 이미지에서 높은 신호 대 잡음 비율에 입자 농도의 선택입니다. Blob 분석 필요 입자 궤적을 계산 하는 흑백 이미지를 그레이 스케일 이미지의 변환을 합니다. 고속 이미지에서 대비는이 변환이 어려운 경우 다음 오류는 궤적에는 가능성이 때문에 입자의 식별에 불확실성이 있을 것입니다. 부족 한 입자 변위, 프레임, 또는 너무 많은 입자 사이의 변위의 너무 큰 입자 궤적 또는 입자 궤도의 조기 종료 오류가 발생할 수 있습니다. PIV, 이미지 크기의 보정, 이미지 쌍 사이의 시간 설정에 대 한 추적기, 그리고 PIV 카메라와 레이저 사이 상세한 맞춤의 적절 한 선택은 PIV 상관 관계 분석에 좋은 결과 보장 하는 가장 중요 한 단계 난 기류에 대 한 정확한 통계를 얻기 위해 키입니다.

여기, 우리는 다양 한 종류의 침전 속도 다양 한 난 류 조건에서 침전 물 입자의 크기를 적용 하 여 기술의 결과 증명. 결과 입자 침전 속도 뿐만 아니라 (수평 속도)의 평균 다른 조건에서 그 입자에 대 한 일반적인 침전 속도 여겨진다의 거의 가우스 분포를 보여. 난 류 속도 동요의 RMS 표시 증가 예상된7,15 고로 그리드 주파수와 약 유니폼 FOV 수직 높이 (한 난 기류 낮은 경우-2 Hz 그리드 주파수 이외 참조 그림 3 ). 함께, 이러한 결과 입증 하는 입자 흐름 필드의 동시 측정 성공 했다. 그들은 또한 어떤 난 류11입자 정착 행동의 "빠른 추적" 이론와 일치 하는 난 기류7, 증가 함께 증가 침전 속도 보여 줍니다.

여기에 방법의 활용은 입자 기류 상호 작용;와 관련 된 과학적인 질문을 해결의 한 예 메서드는 다른 연구 분야 및 응용 프로그램에서 활용할 수 있습니다. 다양 한 흐름 조건에서 입자 동작의 특정 측면에서 트렌드를 검사, 이외에 그것은 또한 특정 경우에 흐름 속도 입자의 궤적을 따라 시간에 검사 가능. 흐름 속도 정보를 입자 궤적 데이터의 통합 그리고 특정 질문 조사에 따라 잠재적인 다양 한 응용 프로그램의 큰 범위에 대 한 흐름에서 입자 운동학에 관한 정보를 제공 합니다. 요약 하자면,이 기술은 입자 궤적 및 자연 또는 인공 입자와 유체 흐름 상호 작용 하는 응용 프로그램의 수에 관련 난 기류의 동시 측정을 낮은 비용 솔루션을 제공 합니다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 작품의 일부 II-VI 기초 및 해안 캐롤라이나 전문 향상 그랜트에 의해 지원 되었다. 우리 또한 Corrine 제이콥스, 마렉 Jendrassak와 윌리엄 상인에 대 한 도움이 실험적인 체제를 인정 하 고 싶습니다.

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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난 류와 흐름 이미징 기술을 사용 하 여 입자 운동학의 동시 측정
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Hackett, E. E., Gurka, R. Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques. J. Vis. Exp. (145), e58036, doi:10.3791/58036 (2019).More

Hackett, E. E., Gurka, R. Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques. J. Vis. Exp. (145), e58036, doi:10.3791/58036 (2019).

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