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Engineering

Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas

doi: 10.3791/58036 Published: March 12, 2019

Summary

A técnica descrita neste documento oferece um método de baixo custo e relativamente simples para medir simultaneamente a cinemática da partícula e a turbulência dos fluxos com concentrações de partículas de baixa. A turbulência é medida usando Velocimetria por imagem (PIV) e cinemática da partícula são calculados a partir de imagens obtidas com uma câmera de alta velocidade em um campo de visão sobreposto.

Abstract

Inúmeros problemas em campos científicos e de engenharia envolvem compreensão da cinemática das partículas em escoamentos turbulentos, como contaminantes, micro-organismos marinhos, e/ou sedimentos no oceano, ou reatores de leito fluidizado e processos de combustão em sistemas projetados. Para estudar o efeito da turbulência sobre a cinemática das partículas em tais fluxos, medições simultâneas de cinemática o fluxo e a partícula são necessárias. Existem técnicas de medição de fluxo não-intrusivo, óptico para medição de turbulência, ou para acompanhamento de partículas, mas ambos simultaneamente de medição pode ser desafiador devido à interferência entre as técnicas. O método apresentado neste documento fornece um método de baixo custo e relativamente simples para fazer medições simultâneas de cinemática o fluxo e a partícula. Uma seção transversal do fluxo é medida usando uma técnica de Velocimetria (PIV) partícula imagem, que fornece duas componentes de velocidade no plano de medição. Esta técnica utiliza um laser pulsado para a iluminação do campo semeado de fluxo que é fotografado por uma câmera digital. A cinemática da partícula são simultaneamente fotografada usando uma luz emitindo luz de diodo (LED) linha que ilumina uma seção transversal planar do fluxo que se sobrepõe com o PIV campo de visão (FOV). A luz de linha é de poder baixa o suficiente, que não afeta as medições de PIV, mas poderoso o suficiente para iluminar as partículas maiores de interesse fotografada usando a câmera de alta velocidade. Imagens de alta velocidade que contêm os pulsos de laser de técnica PIV são facilmente filtradas, examinando o nível de intensidade somados de cada imagem de alta velocidade. A taxa de quadros da câmera de alta velocidade, tornando desproporcionadas com que a taxa de quadros de câmera PIV, o número de contaminados quadros da série de tempo de alta velocidade pode ser minimizado. A técnica destina-se a média dos fluxos que são predominantemente bidimensionais, conter partículas que são pelo menos 5 vezes o diâmetro médio do PIV semeadura traçadores e baixa concentração.

Introduction

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Existem um grande número de aplicações em campos científicos e de engenharia que envolvem o comportamento de partículas em escoamentos turbulentos, por exemplo, de aerossóis na atmosfera, contaminantes e/ou sedimentos em sistemas projetados e da Marinha micro-organismos ou sedimentos no oceano1,2,3. Em tais aplicações, muitas vezes é de interesse de entender como as partículas respondem a turbulência, que exige medida simultânea da cinemática da partícula e a dinâmica dos fluidos.

Tecnologias existentes para medir os movimentos de partículas, chamados partícula de rastreamento (PT), que rastreia as trajetórias das partículas individuais e a técnica estatística de particle image velocimetry4,5 (PIV), usado para medir o fluxo velocidades, ambos incorporam técnicas ópticas não-intrusiva. O principal desafio na utilização destas técnicas ópticas não-intrusiva para medir o fluxo e a partícula cinemática simultaneamente é a iluminação separada exigida para cada técnica de imagem que não pode interferir com do outro medição (precisão por exemplo, a fonte de iluminação para medir a cinemática da partícula não pode atuar como uma fonte significativa de ruído na medição da velocidade do fluido e vice-versa). O contraste da imagem em ambos os conjuntos de imagens deve ser suficiente para obter resultados fiáveis. Por exemplo, as imagens de PT são convertidas em imagens em preto e branco a fim de realizar uma análise de blob para determinar as posições das partículas; assim, o contraste insuficiente leva a erros na posição da partícula. Contraste pobre em quantidades de imagens PIV para uma baixa relação sinal-ruído que causará imprecisões na estimativa das velocidades da fluido.

Aqui, um método relativamente simples e baixo custo para medir simultaneamente ambas as velocidades de cinemática e fluxo da partícula é descrito. Através da utilização de uma luz monocromática de alta potência, emitindo luz, linha de diodo (LED) onde a linha refere-se à abertura de luz e dual-cabeça do laser de alta intensidade, ambas as partículas de interesse e o campo de fluxo são fotografadas na mesma região, simultaneamente. A alta potência do LED é suficiente para a imagem das partículas (rastreadas) pela câmera de alta velocidade, mas não afeta as imagens PIV, porque a intensidade da luz espalhada de traçadores PIV é muito baixa. Quando o laser de alta intensidade dupla-cabeça acende-se o campo de fluxo para as imagens PIV, ocorre durante um curto intervalo de tempo, e essas imagens são facilmente identificadas e retiradas da série de tempo obtida pela câmera de alta velocidade PT, quando eles são registrados. PIV laser pulsos gravados na época de imagem de alta velocidade (usada para rastreamento de partícula) série pode ser minimizado pela não execução dos dois sistemas em taxas de aquisição de quadros que são proporcionais entre si. Em configurações mais avançadas, um poderia provocar externamente os PT e PIV câmeras com um atraso que iria garantir que isso não acontece. Finalmente, por consideração cuidadosa da quantidade de partículas sendo controladas dentro do PIV campo de visão (FOV), quaisquer erros introduzidos por essas partículas controladas na análise de correlação de imagens PIV são já tidos em conta pela estimativa de erro global, incluindo erros associados com a distribuição de tamanho não-uniforme dos marcadores PIV dentro da janela de interrogatório. A grande maioria do PIV semeadura marcadores está seguindo o fluxo, produzindo estimativas de velocidade de fluxo precisa. Estas técnicas permitem a medição directa simultânea de ambas as partículas cinemática e fluxo de campo em um plano bidimensional.

Essa técnica é demonstrada por aplicá-lo para determinar a partícula se estabelecer características em um fluxo turbulento, semelhante ao utilizado em estudos por Yang e tímido6 e Jacobs et al 7. partícula liquidação é o estágio final no transporte de sedimentos, que geralmente consiste em suspensão de sedimentos, transporte e sedimentação. Na maioria dos estudos anteriores que abordaram a partícula, fixando-se em escoamentos turbulentos, ou trajetórias de partículas ou turbulentas velocidades não são medidas diretamente, mas deduzido teoricamente ou modelado8,9,10. Detalhes sobre as interações entre partículas e turbulência mais frequentemente foram investigados usando modelos teóricos e numéricos devido às limitações experimentais em medir ambos simultaneamente6,11. Apresentamos um estudo de caso de interação de partículas-turbulência em uma instalação de grade oscilante, onde estudamos a velocidade de sedimentação de partículas e seu acoplamento com turbulência. Para maior clareza, doravante nos referiremos às partículas sob investigação como "partículas" e as partículas de propagação utilizadas para a técnica PIV como "marcadores"; Além disso, vamos nos referir a da câmera usada para o tratamento de imagens de alta velocidade das trajectórias de partículas como o "rastreamento de partículas", "PT" ou "alta velocidade" câmera, que mede a câmera usado para o método PIV a "câmera PIV" e "imagens de alta velocidade", que medidas de "imagens". O método aqui descrito permite a medição simultânea de partículas cinemática e dinâmica dos fluidos em um campo pré-definido de interesse dentro da instalação. Os dados obtidos fornecem uma descrição bidimensional da interação das partículas-turbulência.

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Protocol

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Nota: Todo o pessoal deve ser treinado no uso seguro e operação de lasers de classe IV, bem como no uso seguro e operação de ferramentas manuais e de poder.

1. Montagem experimental

  1. Instalação do PIV
    1. Configure o dual-cabeça do laser e óptica.
      1. Coloque o laser sobre uma chapa óptica. Nível a laser com relação a parte inferior da instalação (ou em relação ao chão se se deseja ter velocidades verticais alinhadas com aceleração gravitacional) e verticalmente alinhar o feixe de laser com o centro do plano 2D para ser fotografada.
      2. Coloque a lente cilíndrica no caminho do feixe de laser por prendendo-à placa de óptica. A lente irá formar o feixe em um plano 2D. O tamanho do avião 2D imagem dependerá da distância focal da lente e distância da região a ser investigada. Ajuste a lente e a distância até a região iluminada é suficientemente grande para o aplicativo específico.
      3. Coloque uma lente esférica na chapa óptica entre a lente cilíndrica e o plano de imagem 2D. A distância entre as lentes esféricas e cilíndricas e a distância focal da lente esférica irá determinar a espessura da plano 2D iluminado (folha de luz). Ajuste esta distância e a distância focal da lente até a folha de luz é de aproximadamente 0,5-1 mm de espessura.
    2. Posição e realizar a calibração preliminar da câmera PIV.
      1. Anexar uma lente para a câmera PIV, excitante a câmera PIV em modo livre/contínuo e grosseiramente, foco da câmera do PIV. Ajustar o f-stop da câmera PIV para permitir que a luz suficiente para ser recebido pelo sensor de imagem; Essa configuração de f-stop pode diferir quando usando luz branca da sala contra a iluminação baseados em laser.
        1. Ajuste a lente e a distância até o tamanho da imagem é suficiente para observar a região de interesse. Seleção da lente e a distância entre a câmera PIV e a folha de luz determina o tamanho físico da imagem da câmera PIV. Idealmente, o tamanho da imagem deve ser menor do que (ou semelhante) o tamanho da instalação do folha de luz em 1.1.1.
      2. Certifique-se da câmera PIV é perpendicular à folha de luz e grosseiramente, ajustar a altura tal que a região de interesse (definido por limites a folha de luz – ver passo 1.1.1) está dentro campo de visão da câmera PIV (FOV).
      3. Nível da câmera PIV com relação a parte inferior da instalação de fluxo (ou em relação ao chão se se deseja ter velocidades verticais alinhadas com aceleração gravitacional). É de extrema importância que a câmera PIV ser precisamente perpendicular à folha de luz, então isso deve ser verificado cuidadosamente.
      4. Desligue a câmera PIV e ligue o laser. Coloque um target de calibração e alinhá-lo com o centro da folha de luz e, em seguida, desligue o laser.
        Nota: O destino de calibração é uma placa bidimensional (geralmente feita de metal, para fins de rigidez), contendo vários marcadores (por exemplo, pontos ou cruza) alinhadas em uma formação de grade regularmente espaçados. A placa é geralmente pintada de preta com marcadores brancos. A distância conhecida entre os marcadores permite a estimativa de um fator de conversão entre unidades físicas e pixels.
      5. Ligue a câmera PIV e refinar o foco da câmera PIV do alvo de calibração. O pixel de resolução da câmara PIV irá determinar quão bem a região pode ser resolvida no espaço; assim, é preciso considerar (consulte as etapas 2.1.1 e 2.1.4 para obter detalhes sobre estas considerações).
      6. Capture uma imagem. Confirme que a câmera PIV é nível, garantindo que a altura através de uma linha de alvo a calibração é consistente, bem como que a posição horizontal ao longo de uma coluna de destino a calibração é consistente. Verificar o tamanho de marcadores de calibração em cada canto da imagem (em pixels) a fim de avaliar a quantidade de distorção de imagem, que deve ser minimizada. A diferença no tamanho dos marcadores de calibração em cada um dos quatro cantos deve idealmente ser zero; Mas não deve diferir em mais de 1 pixel.
    3. Adicione marcadores PIV para o fluxo.
      1. Selecionar marcadores adequados que são neutra flutuante (densidade semelhante como o fluido), quimicamente inerte, adequado tamanho e forma (esférica e pequena o suficiente para seguir o fluxo) e tem um alto índice de refração em relação ao fluido12,13 .
        Nota: O estudo de caso apresentado onde o fluido é água, usamos as esferas ocas de vidro com um diâmetro médio de 10 μm e densidade de 1,1 g/cc.
      2. Introduzir os marcadores PIV o fluxo e executar a instalação (oscilar a grade) até que eles estejam bem misturados. Incremental, introduzir os marcadores e avaliar a qualidade de imagem e o nível de densidade dos marcadores dentro dele.
        Nota: Uma grande separação entre intensidade nível traçador cinza e a intensidade de fundo é o ideal.
        1. Avalie ligando o laser e coletando imagens no modo free/contínuo. Concentração dos marcadores na imagem deve ser densa mas não salpicados4,14. Considere o tamanho da janela desejada correlação em selecionar o nível de concentração, como sugere-se que tem em torno de 8 a 10 pares de partícula clara no PIV imagem pares para a análise de correlação cruzada4 (consulte a etapa 2.1.1).
    4. Configure os parâmetros do PIV. Os parâmetros PIV consistem na taxa de quadros de câmera PIV (que é o mesmo que a taxa de repetência de dual-pulso do laser), o sincronismo entre pares de imagem (ou seja, o tempo entre pulsos de laser (dual) consecutivos) e o número de pares de imagem para coletar. Refinamento dessas configurações pode ser necessária após a revisão dos resultados da etapa 1.1.5.
      1. Defina os intervalos da câmera PIV e laser (taxa de quadros). Estas determinar o tempo de resolução dos mapas de vetor da velocidade amostrados e deve ser tão alto quanto possível (limitação da câmera PIV, laser ou espaço em disco) até metade da escala de tempo menor do fluxo.
      2. Defina o sincronismo entre imagens consecutivas de PIV (ou seja, um par de imagem PIV).
        1. Defina o sincronismo entre imagens consecutivas PIV, baseado na velocidade média de fluxo na facilidade e o tamanho das janelas de interrogatório (ver 2.1.1). Tem os marcadores deslocar aproximadamente 1/4-1/2 do interrogatório, tamanho da janela no tempo decorrido entre imagens consecutivas. O tempo entre imagens consecutivas também define o sincronismo entre os pulsos de laser de dois.
        2. Pré-defina o primeiro pulso para acionar um curto período de tempo, depois abriu o obturador da câmera PIV. Se usando uma câmera PIV correlação cruzada, a câmera PIV armazena a imagem em sua memória intermédia e re-abre o obturador novamente.
        3. Dispare o segundo pulso de laser, com base na configuração do tempo aqui. Uma vez o segundo pulso é acionado, o obturador da câmera irá fechar novamente, envio de ambas as imagens para o grabber de frame (ou memória de câmera on-board PIV).
        4. Determine o tempo entre o primeiro pulso que desencadeia a aquisição da primeira imagem do par de imagem e o primeiro pulso que desencadeia a aquisição da primeira imagem do par posterior imagem pelo quadro de câmera PIV taxa (ver 1.1.4.1).
      3. Defina o número de pares de imagem para coletar. O número de pares de imagem para coletar deve ser selecionado para assegurar a convergência das propriedades estatísticas de fluxo, que varia de acordo com a configuração experimental, mas normalmente é na faixa de centenas de milhares de pares de imagem.
    5. Teste a instalação do PIV.
      1. Definir o laser para o modo de gatilho externo para as duas cabeças do laser e aumentar a potência do laser. Completamente escurece o quarto.
      2. Inicie a coleta de dados em modo contínuo sincronizado por alguns segundos.
      3. Pare a coleta de dados.
      4. Cruz imagem correlacionar pares coletados (ver 2.1.1).
        1. Se a percentagem de vetores boas passando a relação sinal-ruído (relação entre o pico mais alto de correlação cruzada para o segundo mais alto cruzar o pico de correlação-ver 2.1.1) não é no intervalo de 90% superior ou marcador médio são deslocamentos dentro do windows de interrogatório Não aproximadamente 0,25-0,5 de tamanho de janela de interrogatório, repetir e verificar a correta aplicação das etapas na seção 1.1 até é conseguida. Uma vez que esses valores sejam alcançados, pare a instalação (oscilação de grade de paragem).
  2. Configurar o rastreamento de partículas de alta velocidade 2D
    1. Posicione o monocromático diodo emissor de luz de linha.
      1. Escolha do diodo emissor de luz de linha tal que ilumina a partícula sob investigação (por exemplo, partículas de sedimento) com grande retroespalhados intensidade (grande diferença no índice de refração da partícula em relação ao fluido). Ele também deve ser capaz de iluminar continuamente ou em uma taxa que pode ser sincronizada com a câmera do PT.
      2. Minimize a espessura da luz linha idealmente corresponder a espessura da folha de luz PIV, mas não deve ser mais de 10 vezes mais espessa do que a espessura da folha de luz PIV para reduzir qualquer ambiguidade devido ao movimento da partícula fora-de-avião.
      3. Tamanho da largura da luz LED linha corresponde ou abranger o PIV FOV. Monte o LED perpendicular à folha de luz gerada pelo laser para que não há problemas de bloqueio de luz (por exemplo, PIV folha de luz do lado) e o LED de baixo. Veja a Figura 1.
      4. Alinhe o diodo emissor de luz de linha tal que a espessura da folha de luz PIV é centralizada dentro da espessura de luz LED linha. Só ajuste o posicionamento da luz LED para alcançar este alinhamento. Movimento da folha luz PIV exigirá repetindo os passos na secção 1.1.
    2. Posição e realizar a calibração preliminar da câmera de alta velocidade PT.
      1. Anexar uma lente para a câmera PT, ligue a câmera PT no modo free/contínuo/Live e grosseiramente, foco da câmera do PT. Se necessário, ajuste o f-stop do PT câmara para permitir que a luz suficiente para ser recebido pelo sensor de imagem da câmera PT; Essa configuração de f-stop pode ser diferente quando usando luz branca da sala contra a iluminação baseada em LED. Seleção da lente e a distância entre a câmera e a linha de LED luz determina o tamanho físico da imagem da câmera PT. Idealmente, a câmera PT FOV será menor (ou semelhante) o tamanho da área iluminada pelo LED.
      2. Certifique-se da que câmera de alta velocidade é perpendicular a luz de linha e grosseiramente, ajustar a altura para que a região de interesse é dentro FOV da câmera PT e inclusive o PIV FOV.
      3. Nível da câmara do PT com relação a parte inferior da instalação de fluxo (ou em relação ao chão se se deseja ter velocidades verticais alinhadas com aceleração gravitacional). É da máxima importância que a câmera PT ser precisamente perpendicular ao plano iluminado pela luz, a linha, então isso deve ser verificado cuidadosamente.
      4. Desligue a câmera PT, acender a luz de linha e coloque um alvo de calibração alinhado com o centro da luz linha, então desligue a linha de luz.
      5. Ligue a câmera PT e refinar seu foco sobre o destino de calibração. Refine a lente e a distância até o tamanho da imagem é suficiente para observar a região de interesse e ser incl. o PIV FOV.
      6. Escolha a lente e a distância tal que a câmera de alta velocidade PT FOV é maior do que o PIV FOV. Este arranjo é necessário para assegurar que a câmara PIV e a câmera de alta velocidade do PT não fisicamente bloquear uns aos outros.
      7. Organizar as câmaras PT e PIV verticalmente (empilhados) ou deslocamento para o lado do outro. Pode ser conveniente alinhar um canto do PT FOV e PIV FOV de alta velocidade. A resolução de pixels da câmera PT irá determinar quão bem a região pode ser resolvida no espaço; assim, ele deve ser considerado. O fator de conversão entre unidades físicas e pixels determina a distância física, coberta por um pixel. As partículas devem deslocar cerca de 3-10 pixels entre imagens consecutivas, e se esse deslocamento é muito grande (ou pequeno) porque o FOV é muito pequeno (ou grande demais) ou o número de pixels é muito grande (ou muito pequeno) em seguida, as partículas não podem deslocar um ideal número de pixels entre imagens (Veja também 1.2.3.2).
      8. Selecione as partículas para investigação.
        1. Use partículas de interesse muito maior do que o PIV semeadura traçadores para distinguir suficientemente as partículas investigadas e os marcadores PIV. Nós foram bem sucedidos com partículas aproximadamente 5 vezes maiores que os marcadores PIV e considerar este limite inferior, mas o limite pode depender o índices de refração da partícula e fontes de luz. A partícula investigada deverá abranger em torno de 4-5 pixels na área da imagem da câmera de alta velocidade. Portanto, o tamanho das partículas investigados pode permitir menos pixels de resolução para a imagem de alta velocidade do que as imagens do PIV.
        2. Repita etapas 1.2.2.1-1.2.2.5 conforme necessário para atingir esta etapa.
      9. Adquira uma imagem do alvo de calibração. Confirme que a câmera PT é nível, garantindo que a altura através de uma linha de alvo a calibração é consistente e que a posição horizontal ao longo de uma coluna de destino a calibração é consistente. Verifique também o tamanho de marcadores de calibração em cada canto da imagem para avaliar a quantidade de distorção de imagem, que deve ser minimizada (não diferem em mais de 1 pixel).
    3. Defina os parâmetros da câmera de alta velocidade. Os parâmetros da câmera de alta velocidade consistem na taxa de quadros da câmera PT (neste caso também definir o tempo de exposição), a resolução da câmera PT (quadro completo ou binning os pixels para aumentar a taxa de quadros ou prolongar o tempo de aquisição) e o número de imagens coletados.
      1. Definir o número de imagens para que sejam recolhidos (ou seja, o comprimento do tempo de aquisição). O número de imagens coletadas influencia o número de trajetórias de partículas medido — quanto mais o tempo de aquisição, as trajetórias mais que podem ser medidas.
      2. Definir a taxa de quadros (e tempo de exposição) e resolução da câmara de alta velocidade do PT.
        1. Evite definir a taxa de aquisição de imagem de alta velocidade para o mesmo ou múltiplo da taxa de quadros do PIV. Defina a taxa de quadros, baseada na velocidade estimada das partículas no fluxo. As partículas devem deslocar mais de 1 ou 2 pixels para evitar casos de sobreposição de posições de partículas em duas imagens consecutivas; no entanto, uma grande lacuna (> 10 pixels) resultará em menos confiança em identificar a mesma partícula em imagens consecutivas, gerando perda de trajetória de partículas (ver 2.2.4). Ajuste a PT câmera resolução e taxa de quadros para realizar deslocamentos de partículas neste intervalo (3-10 pixels).
    4. Teste a configuração da câmera de alta velocidade.
      1. Linha de excitante o LED luz e caso contrário escurecer o quarto.
      2. Execute a instalação (início da grade de oscilação).
      3. Introduzir as partículas do fluxo e capturar alguns quadros depois as partículas aparecem em FOV da câmera de alta velocidade. Sobreposição de quadros consecutivos e avaliar se podem distinguir-se partículas em quadros consecutivos.
        1. Verifique que a introdução de partículas para FOV a câmera de alta velocidade ocorre suficientemente longe o FOV que efeitos de entrada são negligenciáveis, que a densidade de partículas é esparsa o suficiente para que não são frequentes casos de sobreposição de partículas dentro do imagem de alta velocidade FOV, e que o movimento da partícula é principalmente no plano fotografado para que as partículas são rastreáveis pelo olho da câmera FOV/PT história de imagem de câmera.
        2. Se estes resultados não são obtidos, repita 1.2 até é conseguida. Uma vez alcançado, pare a instalação (oscilação de grade de paragem).
  3. Calibração Final combinada
    1. Posicione o alvo de calibração em ambos PIV e PT câmera FOVs e dentro das folhas de luz a LED e o PIV. O alvo de calibração deve ser visualizado por tanto a câmera de alta velocidade do PT e câmera PIV. Verifique se ambas as câmaras estão em foco. Se um não está no foco, então passos 1.1 e 1.2 precisam ser repetido para o PIV câmera e câmera de alta velocidade, respectivamente.
    2. Certifique-se de que pelo menos uma marca única existe no destino de calibração que é visível por tanto a FOV de câmera de alta velocidade e a câmera PIV FOV. Medir e indicar a posição desta marca única no espaço físico para fins de registro espacial entre as imagens.
    3. Calibre a câmera de alta velocidade ao capturar e salvar uma imagem do alvo calibração da câmera de alta velocidade do PT. Calibre a câmera PIV da mesma maneira.
    4. Remova o alvo de calibração do líquido.
  4. Coleta de dados
    1. Executar a instalação (oscilar grade) até atingir o estado estacionário (~ 20 min).
    2. Definir as condições de iluminação quarto de escurecimento e girando sobre o LED de luz. Adicione partículas no fluido.
    3. Sincronicamente inicie aquisição de imagem para ambos os sistemas quando as primeiras partículas aparecem na câmera de alta velocidade PT FOV (no modo de viver).
    4. Baixar as imagens de alta velocidade da RAM para a câmera de alta velocidade do PT e salvar as imagens adquiridas pela câmera PIV.
    5. Parar a instalação (parar as oscilações de grade).

2. análise de imagens

Nota: Existem inúmeros pacotes de software disponíveis para realizar a análise de imagem o PIV e PT – tanto comercial e freeware. Para análise PIV, freeware códigos são OpenPIV (http://www.openpiv.net/) e MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). Empresas comerciais também vendem software de análise PIV. Para análise do PT, numerosos códigos de rastreamento de partículas existem em 3D e 2D como Partícula Tracker (https://omictools.com/particle-tracker-tool); uma listagem completa de diversas plataformas de software pode ser encontrada aqui: https://omictools.com/particle-tracking-category ou http://tacaswell.github.io/tracking/html/. A maioria dos pacotes de análise, por exemplo, MATLAB, têm construído em ferramentas que fazem relativamente fácil de implementar seu próprio código de rastreio. Para os resultados apresentados neste estudoOpenPIV, ETI Insighte MATLAB códigos de controle personalizado-escritos foram usados.

  1. Analisar imagens PIV
    1. Divida cada imagem em uma grade de windows de interrogatório (por exemplo, 64 x 64 pixéis2 com 50% de sobreposição) sobre a qual a velocidade de vazão média em cada janela é calculada pela Cruz-correlacionando dois PIV imagens consecutivas (ou seja, par de imagem PIV) como discutido na configuração do PIV, seção 1.1.4.2.
      Nota: A distância entre o centro da janela e a correlação de pico em cada janela define o deslocamento do marcador médio nessa janela. Uma vez calibrado, este deslocamento dividido pelo tempo entre imagens consecutivas de PIV (par de imagem PIV - ver passo 1.1.4.2) produz estimativas dos dois componentes no plano de velocidade em cada localização4. Coletivamente, é referido como um mapa do vetor de velocidade. O tamanho da janela do interrogatório determina a resolução do campo de fluxo produzido pela análise PIV como metade da distância é computada velocidade vetorial espaçamento. Este espaçamento juntamente com o pixel para o fator de conversão de unidade física define a resolução do campo de fluxo medido. Além disso, para obter o baixo número de vetores errôneas (Veja 2.1.2), um número suficiente de traçadores deve estar presente em cada janela (traçadores de pelo menos 8-10) e eles não devem deslocar mais de aproximadamente ¼ a ½ do tamanho da janela.
    2. Filtre resultados da correlação cruzada para remover resultados espúrios de mapas de vetor da velocidade.
      1. Aplica um filtro de sinal-ruído (SNR). Exigir uma relação de 1.5 e acima é normalmente usado (este número pode mudar com base nas condições experimentais específicas).
        1. Definir o SNR devem referir-se a relação entre o primeiro e o segundo pico mais alto de correlação na janela de interrogatório ou a relação entre a primeira e média correlação sobre a janela de interrogatório específico. Otimize a relação SNR para cada conjunto de experimentos. O número de vetores falhando êste SNR não deve exceder 10%.
      2. Filtro restante errôneas vetores (não superior a 5% entre as etapas 2.1.2.2 e 2.1.2.3) usando um filtro global que compara cada vetor de velocidade individual com o mapa de velocidade média mais ou menos três desvios-padrão das velocidades do mapa e elimina velocidades fora desse intervalo.
      3. Filtro restante errônea de vetores (não superior a 5% entre as etapas 2.1.2.2 e 2.1.2.3) usando um filtro de local que compara cada vetor de velocidade individual com a velocidade média de um bairro de em torno de velocidade vectors, geralmente no tamanho de 5 x 5.
        Nota: O uso de mediana e determinar o tamanho do bairro pode mudar dependendo das condições experimentais específicas.
    3. Substitua vetores errôneas encontradas na etapa 2.1.2 com vetores interpolados (ou a mediana de bairro) usando as informações dos vetores de bairro circundante, normalmente de tamanho 5 x 5.
    4. Determine a taxa de conversão de distância-a-pixel. Examine quantos pixels traduzir para uma distância específica usando a distância entre os marcadores do alvo de calibração fotografada na etapa 1.3.3.
    5. Vetores de calibrar. Converter os vetores computados em etapas 2.1.1-2.1.3 de unidades físicas usando esse fator de conversão da etapa 2.1.4 e o tempo entre pares de imagem definida na etapa 1.1.4.2; convertendo os deslocamentos em pixels para velocidades em unidades físicas.
  2. Analisar imagens de alta velocidade
    1. Remova quaisquer quadros da série de tempo de imagem de alta velocidade em que o laser PIV foi iluminando o fluxo.
      1. Soma os valores de intensidade de cada quadro que adquiriu. Os quadros em que o laser PIV foi intermitente tem uma intensidade resumiu que é muito maior do que aqueles sem o laser PIV ativo na imagem. Com base em um limite da intensidade somados, remova todas as imagens da série de tempo que têm uma maior que o limiar de intensidade somada. Consulte a seção 1.2.3.2 para orientação em minimizar a quantidade de frames para que isso ocorre.
    2. Converta imagens restantes em tons de cinza em imagens binárias utilizando um limiar. Neste caso, usamos o método de Otsu para determinar o limiar que converte as partículas a branco e fundo preto.
    3. Realizar análise de blob para cada imagem.
      1. Identifica regiões de conectividade na imagem a preto e branca - doravante referida como objetos. Normalmente, uma conectividade de 8 pixels é usada.
      2. Remover todos os objetos que são muito menores em área (ou seja, o número de pixels objeto consome na imagem) do que o tamanho de partícula típica em pixels da imagem, normalmente em torno de 3 pixels.
    4. Calcule as trajetórias de partículas.
      1. Identifica o centroide de todos os objetos (remanescentes), na primeira imagem.
      2. Para cada objeto detectado, busca na imagem subsequente para o mesmo objeto, procurando-se em uma região próxima a centroide na imagem anterior. Se apenas uma partícula/objeto dentro da janela de busca for encontrado, então continuar a trajetória e registrar a localização de centroide naquela imagem; caso contrário, encerrar a trajetória.
        Nota: Muito grande de uma pesquisa área pode resultar na identificação incorreta da partícula na imagem subsequente para a área de pesquisa deve ser como restrita tanto quanto possível, sem causar viés nos resultados. Se a posição do objeto no quadro subsequente é frequentemente no intervalo máximo da janela de busca, então, a janela de pesquisa não é grande o suficiente.
      3. Repita a etapa 2.2.4.2 até que o objeto já não pode ser encontrado na imagem subsequente. Quando isso ocorre, a trajetória é considerada finalizado.
        Nota: Se controla a maioria das partículas são consistentemente curto (por exemplo, menos do que 5 quadros), em seguida, este resultado pode indicar que há significativo movimento tridimensional e que esse método não é adequado. Como regra geral, faixas de partículas devem ser de pelo menos ¼ da partícula de rastreamento FOV14; Mas a necessidade de determinada faixa de comprimentos pode variar de acordo com o aplicativo.
      4. Repita as etapas 2.2.4.1-2.2.4.3 começando com o segundo quadro para quaisquer objetos que já não sendo controladas do frame 1. Repita este processo para todos os quadros de partida possíveis. O resultado será uma biblioteca de trajetórias de partículas em todo o experimento.

3. análise

  1. Calcule a partícula velocidades e acelerações de trajetórias de posição obtidas a partir das imagens de alta velocidade, usadas para o PT.
    1. Diferencie as trajetórias de partículas compiladas em 2.2 em tempo (baseado no conjunto de taxa de quadro na etapa 1.2.3.2) para calcular as velocidades em cada direção. Esta diferenciação do tempo resulta em estimativas de Lagrangiana velocidade das partículas em pixels por unidade de tempo.
      Nota: Este passo só precisa ser executada se a informação de velocidade das partículas é desejada.
    2. Calibre a velocidade convertendo-se as velocidades de pixels por unidade de tempo a distância por unidade de tempo. O fator de conversão (distância por pixel) pode ser obtido examinando-se a distância entre os marcadores do alvo de calibração fotografada na etapa 1.3.3.
  2. Realize a decomposição de Reynolds em PIV mapas vetoriais para calcular quantidades turbulentas.
    1. Calcule a média de conjunto sobre todos os mapas de vetor de velocidade PIV coletados em cada local nos mapas vetoriais PIV obtidos de passo 2.1.
    2. Execute uma decomposição de Reynolds subtraindo estes valores médios calculados em 3.2.1 das velocidades instantâneas em cada mapa para obter a série temporal das flutuações da velocidade turbulenta.
    3. Calcule estatísticas de interesse, por exemplo, velocidade turbulenta root-mean-square (RMS). Alternativamente, um pode examinar flutuações turbulentas em locais de partícula exata dentro das trajectórias.

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Representative Results

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Um esquema da instalação experimental é mostrado na Figura 1. A figura mostra o arranjo das folhas de luz (LED e laser), a sobreposição nos FOVs e a posição dos FOVs em relação a grade oscilante e paredes do tanque. A turbulência e as partículas são medidas simultaneamente, conforme descrito na seção de protocolo. A Figura 2 mostra os resultados do exemplo das medições de velocidade instantânea e vorticidade juntamente com as trajetórias de partículas de amostra. Os resultados da análise PIV são avaliados com base em computação o RMS das flutuações turbulentas. Para esta instalação de grade oscilante, a magnitude da média espacial de flutuação de velocidade do RMS sobre o PIV FOV deve aumentar com frequência de grade para ambas as componentes de velocidade7,15. Se este resultado não é obtido, então a instalação de grade, instalação do PIV ou análise PIV contêm erros e deve ser repetido. Um exemplo do perfil vertical de flutuações de velocidade RMS para frequências diferentes da grade é fornecido na Figura 3, onde é mostrado que as flutuações turbulentas RMS aumentam com frequência de grade.

As trajetórias de partículas são avaliadas através da análise da distribuição das velocidades obtidas as trajetórias de partículas, como mostrado na Figura 4. Estas distribuições devem ser aproximadamente gaussianas na distribuição. Se não forem, então pode haver um problema com a aquisição das imagens de alta velocidade dependendo das condições de fluxo específico, um problema com a análise de imagens de alta velocidade, ou um número insuficiente de trajetórias de partículas. Nesta aplicação específica do método, a validação dos resultados trajetória também pode ser alcançada em comparação às curvas de16 Dietrich para água estagnada. Cálculos de trajetória em águas paradas, usando os mesmos procedimentos aqui descritos para as partículas devem produzir uma velocidade de sedimentação é aproximadamente consistente com estas curvas empíricas, como mostrado na Figura 5, onde os resultados para o fluxo estagnado condição mostrar de acordo com o Dietrich16 curvas. A Figura 5 demonstra também que as partículas tendem a aumentaram velocidades de sedimentação em turbulência, como discutido em Jacobs et al 7.

Figure 1
Figura 1: descrição esquemática da instalação experimental, que consiste em um tanque de turbulência de grade, configuração de Velocimetria de imagem de partículas (usando uma câmera CCD (PIV) e laser) e 2D de alta velocidade de imagem partícula acompanhamento de instalação (usando uma câmera CMOS (PT) e diodo emissor de luz ). Dimensões no esquema são fornecidas em centímetros. Esta figura foi modificada em que consta Jacobs et al . 7 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: distribuição da velocidade e trajetórias. (A) uma distribuição de velocidade instantânea do fluido do exemplo representada por vetores em pixels/s sobreposto à vorticidade instantânea, caracterizada pela cor. O vetor de escala vermelha no canto inferior esquerdo representa 500 pixels/s. (B) um exemplo de lapso de tempo (mais de 30 imagens de PT) trajetórias de partículas com um diâmetro médio de µm 261 em oscilações de grade de 5 Hz. Painel B desta figura foi modificada em que consta Jacobs et al . 7 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: horizontalmente em média perfis verticais do RMS das flutuações turbulentos verticais horizontal (a) e (b) para todas as frequências de grade (ver legenda). Velocidades de RMS turbulentas aumentam com frequência de grade. Valores RMS baseiam-se em 500 mapas vetoriais calculado em todos os locais e então subsequentemente em média, todas as posições horizontais (50 pontos) em cada posição vertical para obter os perfis verticais mostrados. Esta figura foi modificada em que consta Jacobs et al . 7 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: histogramas das partículas medido velocidades horizontais e verticais em água estagnada e condições turbulentas (ver legendas) para (um, dois painéis esquerdo) uma partícula de areia natural (de forma irregular) com 261 µm diâmetro médio e (B, direita dois painéis) uma partícula sintética esférica com um diâmetro médio de 71 µm. As linhas nas subparcelas são Gaussian adapta-se aos histogramas. Esta figura foi modificada em que consta Jacobs et al . 7 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: fixando-se em condições de fluxo turbulento e estagnada versus tamanho de partícula de vários tipos diferentes de partículas velocidades. Conforme ilustrado na legenda, as cores representam sedimentos diferentes tipos: partículas sintéticas ou fabricadas, areia industrial de vários tipos (120, 100, 35) e a areia de uma praia local em Myrtle Beach, SC-ver quadro 1 no Jacobs et al . 7 para obter mais detalhes. Os símbolos, incluindo o círculo preenchido, indicam as condições de fluxo representado como frequência de grade na legenda, onde estagnada refere-se a frequência zero. Como aumenta a frequência da grade, as flutuações de velocidade turbulenta RMS aumentam. As curvas empíricas de Dietrich16 para velocidade de sedimentação de partícula na água estagnada também são mostradas para vários fatores de forma diferente. Esta figura foi modificada em que consta Jacobs et al . 7 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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O método descrito neste documento é relativamente barato e fornece uma maneira simples de medir simultaneamente as trajetórias de partículas e turbulência para examinar a influência do fluxo na cinemática da partícula. É digno de nota para mencionar que os fluxos ou movimentos de partículas que são fortemente tridimensionais não são well-suited para esta técnica. O movimento fora-de-avião irá resultar em erros17 em 2D acompanhamento e a análise PIV e deve ser minimizado. Além disso, o método requer a concentração de partículas controladas para ser relativamente baixa (da ordem de dezenas de partículas por imagem PT). Essa restrição é importante a fim de maximizar a confiança que a mesma partícula está sendo rastreada em imagens consecutivas. Se muitas partículas existem simultaneamente no FOV da câmera PT, então imprecisões nos cálculos de trajetória e rescisão antecipada de trajetórias pode ocorrer assim como aumento erros na análise de imagem do PIV. Por conseguinte, problemas associados a floculação de partículas seria desafiadoras para esta técnica investigar porque as concentrações de partículas grandes são geralmente necessários. Finalmente, esta técnica é mais adequada para rastreamento de partículas maiores (> 50 µm). Deve haver uma separação suficiente entre os marcadores PIV (~ 10 µm) de partículas que estão sendo controladas. Sugere-se um fator de pelo menos 5.

As etapas mais críticas no protocolo para a partícula de rastreamento são as etapas de calibração, seleção da taxa de quadros, a concentração de partículas em imagens e garantindo alta relação sinal-ruído em imagens de alta velocidade. A análise de blob requer a conversão da imagem escala de cinza em uma imagem em preto e branco sobre a qual são calculadas as trajetórias de partículas. Se o contraste nas imagens de alta velocidade em que essa conversão é difícil, então, erros nas trajetórias são prováveis porque haverá incerteza na identificação das partículas. Deslocamento da partícula insuficiente, muito grande de deslocamento entre quadros, ou muitas partículas pode levar a erros das trajetórias de partículas e/ou rescisão antecipada de trajetórias de partículas. Para o PIV, a calibração do tamanho da imagem, a configuração do tempo entre pares de imagem, seleção adequada dos traçadores e detalhadas de alinhamento entre a câmara PIV e o laser são os passos mais importantes para garantir um bom resultado na análise de correlação de PIV , que é a chave para a obtenção de estatísticas precisas sobre a turbulência.

Aqui, temos demonstrado os resultados da técnica aplicando-o para examinar a velocidade de sedimentação de vários tipos e tamanhos de partículas de sedimentos em diferentes condições turbulentas. Os resultados mostram uma distribuição gaussiana quase de partícula, fixando-se velocidades (bem como velocidades horizontais) do que a média é considerada uma velocidade de sedimentação típica para essa partícula em diferentes condições. O RMS de flutuações da velocidade turbulenta mostram um aumento com frequência de grade como esperado7,15 e são aproximadamente uniforme a altura vertical do FOV (com exceção de um caso de baixa turbulência - 2 Hz de frequência de rede, consulte a Figura 3 ). Juntos, esses resultados demonstram que a medição simultânea das partículas e campo de fluxo foram bem sucedidos. Eles também demonstram que existem maiores velocidades de sedimentação com o aumento da turbulência7, que é consistente com a teoria de "fast-tracking" do comportamento de sedimentação das partículas em fluxo turbulento11.

A utilização do método aqui é um exemplo de abordar uma questão científica que envolve a interação de partículas-turbulência; o método pode ser utilizado em outras disciplinas de pesquisa e aplicações. Além de examinar as tendências em um aspecto particular do comportamento de partícula em diferentes condições de fluxo, também é possível examinar as velocidades de fluxo em instâncias particulares no tempo ao longo da trajetória de uma partícula. A integração das informações com os dados da trajetória de partícula velocidade fluxo depende da pergunta específica que investigou e oferece muitas informações sobre cinemática da partícula em fluxos para uma grande variedade de aplicações potenciais. Em resumo, esta técnica oferece uma solução de baixo custo para medição simultânea de trajetórias de partículas e turbulência relevante em um número de aplicações onde o fluxo de fluido interage com partículas naturais ou provocadas pelo homem.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Partes deste trabalho foram apoiados pela Fundação de II-VI e a concessão de aprimoramento profissional Carolina costeiras. Também gostaríamos de reconhecer Corrine Jacobs, Marek Jendrassak e William Merchant para ajudarem com a instalação experimental.

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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Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas
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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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