Одновременное измерение турбулентности и Кинематика частицы с помощью потока, методы визуализации

Summary

Метод, описанный здесь предлагает низкой стоимости и относительно простой метод одновременно измерения частиц кинематики и турбулентности потоков частиц низкой концентрации. Турбулентность измеряется с помощью частицы изображения Велосиметрия (PIV), и Кинематика частицы рассчитываются на основе изображений, полученных с помощью высокоскоростной камеры в перекрывающихся поля зрения.

Abstract

Многочисленные проблемы в научной и инженерной областях включают Понимание кинемо частиц в турбулентных потоков, такие загрязнители, морских микроорганизмов, и/или отложениях в океан, или кипящего реактора и процессов горения в инженерных систем. Для того чтобы изучить эффект турбулентности на Кинематика частицы в таких потоков, требуются одновременного измерения потока и частицы кинематики. Существуют методы измерения non навязчивым, оптического потока для измерения турбулентности, или для отслеживания частиц, но одновременно оба измерения может быть сложным из-за помех между методами. Метод, представленные в настоящем документе обеспечивает низкую стоимость и относительно простой метод для одновременного измерения потока и частиц кинематики. Поперечное сечение потока измеряется с помощью метода Велосиметрия (PIV) изображение частиц, которая обеспечивает два компонента скорости в плоскости измерения. Этот метод использует импульсный лазер для освещения в сеяный потока поля, отображаемого с помощью цифровой камеры. Кинематика частицы одновременно отражаются с помощью Светоиспускающий диод (LED) линии свет, который освещает плоское поперечное сечение потока, которая перекрывается с PIV поле зрения (FOV). Линии свет является достаточно малой мощности, что он не влияет на размеры PIV, но достаточно мощным, чтобы осветить более крупные частицы интерес образы с помощью высокоскоростной камеры. Высокоскоростной изображений, которые содержат лазерных импульсов от PIV технику легко фильтруются путем изучения уровня суммируются интенсивности каждого высокоскоростной изображения. Делая частота кадров высокоскоростной камеры несоизмеримы с этим частота кадров камеры PIV, можно минимизировать количество зараженных кадров высокоскоростной временных рядов. Техника подходит для средней потоков, которые являются преимущественно двумерной, содержат частицы, которые являются по крайней мере 5 раз средний диаметр PIV, посев Трейсеры и низкой концентрации.

Introduction

Существует большое количество приложений в научных и инженерных областях, которые включают поведение частиц в турбулентных потоков, например, аэрозолей в атмосфере, загрязнений и отложений в инженерных системах и морских микро организмов или отложениях в океан^1,2,3. В таких приложениях это часто интерес понять как частицы реагировать турбулентность, которая требует одновременного измерения частиц кинематики и динамики жидкости.

Существующие технологии для измерения движения частиц, называется частица отслеживания (PT), которая отслеживает траекторий отдельных частиц и статистический метод частиц изображения Велосиметрия^4,5 (PIV), используемый для измерения потока скорости, оба включают неинтрузивного оптических методов. Основной задачей в использовании этих неинтрузивного оптических методов измерения потока и частицы кинематики одновременно является отдельный освещения, необходимых для каждого изображения метод, который не может вмешиваться с другого измерения точности ( например, источник подсветки для измерения Кинематика частицы не может действовать как источник значительный шум в измерение скорости жидкости и наоборот). Контраст изображения в обоих наборов изображений должны быть достаточными для получения надежных результатов. К примеру PT изображения преобразуются в черно-белых изображений для того, чтобы выполнить анализ больших двоичных объектов для определения позиции частиц; Таким образом недостаточно контраст приводит к ошибкам в позиции частицы. Плохой контраст в PIV изображения составляет низкое соотношение сигнал шум, что приведет к неточности в оценке жидкости скоростей.

Здесь относительно недорогой и простой метод одновременно измерять обе скорости кинематики и потока частиц описан. Благодаря использованию мощных монохромные Светоиспускающий диод (LED) линия света, где линия относится к легкой диафрагмы и двойной головкой высокой интенсивности лазерного, частицы интерес и поля потока одновременно отражаются в том же регионе. Высокой мощности светодиод для изображений (гусеничный) частиц, высокоскоростной камеры достаточно, но не влияет PIV изображения, поскольку интенсивность света, рассеянного с PIV Трейсеры является слишком низким. Когда двойной головкой высокой интенсивности лазерного освещает поля потока для изображений, PIV, это происходит через короткий промежуток времени эти образы легко идентифицируются и удалены из временных рядов, полученные путем высокоскоростной камеры PT, когда они регистрируются. PIV лазерных импульсов, записанная во время скоростной изображения (используется для отслеживания частиц), серии может быть сведено к минимуму, не выполнив двух систем на приобретение кадров, которые сопоставимы друг с другом. В более продвинутых установок один внешне может спровоцировать камер PT и PIV с задержкой, что бы убедиться, что это не произойдет. Наконец путем тщательного рассмотрения количество частиц, отслеживаются в рамках PIV поле зрения (FOV), любые ошибки, представил эти гусеничные частиц в корреляционного анализа изображений PIV уже учитываются по общей оценке ошибки, включая ошибки, связанные с распределением неоднородной размер PIV Трейсеры в окне допроса. Подавляющее большинство PIV, посев Трейсеры следующие поток, дают точные потока скорость оценок. Эти методы позволяют одновременное прямое измерение как частица кинематики потока области и в двумерной плоскости.

Этот метод показан, применяя его определить частиц урегулирования характеристики в турбулентном потоке, аналогичного используемому в исследованиях Ян и застенчивая(ый)⁶ и Jacobs et al. ⁷. частица урегулирования является завершающим этапом в наносов, который обычно состоит из осадочных подвеска, транспорта и урегулирования. В большинстве предыдущих исследований, которые обратились частиц, поселившись в турбулентных течений либо траекторий частиц или турбулентного скорости не измеряется непосредственно, но теоретически выведенных или образцу^8,9,10. Подробная информация о взаимосвязях между частицами и турбулентности чаще всего были расследованы с использованием теоретических и численных моделей ограниченностью экспериментальные измерения оба одновременно^6,11. Мы представляем тематическое исследование взаимодействия частиц турбулентности в колебательный ГРИД, где мы изучаем скорость осаждения частиц и их соединение с турбулентности. Для ясности далее мы будем называть частиц под расследование как «частицы» и посева частиц используется для метода PIV как «трейсеры»; Кроме того, мы будем ссылаться на камеру, используется для высокоскоростной визуализации траекторий частиц как «частица отслеживание», «Пт» или «скоростной» камеры, который измеряет «высокоскоростной изображения» и используется для метода PIV «PIV камеры» камеры, которая меры «изображения». Метод, описанный здесь позволяет одновременное измерение частиц кинематики и динамики жидкости над полем предварительно определенный интерес в пределах объекта. Полученные данные предоставляет двумерные описания взаимодействия частиц турбулентности.

Protocol

Примечание: Все сотрудники должны обучаться безопасного использования и эксплуатации IV класса лазеров, а также безопасного использования и эксплуатации инструментов рук и власти.

1. экспериментальные установки

1. PIV установки
   1. Настройка двойной головкой лазерных и оптики.
      1. Место лазера на оптические пластины. Уровень лазерный относительно нижней части объекта (или относительно земли, если желательно иметь вертикальных скоростей, в соответствие с ускорение свободного падения) и выровнять по вертикали лазерный луч с центром 2D плоскости к записи образа.
      2. Поместите Цилиндрические линзы на пути луча, обеспечения его оптические пластины. Объектив будет форма пучка в 2D плоскость. Размер отображаемого в 2D плоскости будет зависеть от фокусного расстояния объектива и расстояние от региона должны расследоваться. Отрегулируйте объектив и расстояние до освещенной региона является достаточно большой для конкретного приложения.
      3. Место сферической линзы на оптические пластины между Цилиндрические линзы и плоскости 2D изображения. Расстояние между сферические и Цилиндрические линзы и фокусное расстояние линзы сферические определит толщину 2D плоскость подсветкой (легкие листа). Настройте это расстояние и фокусное расстояние объектива, до тех пор, пока свет лист составляет примерно 0,5-1 мм толщиной.
   2. Позиции и выполнить предварительные Калибровка камеры PIV.
      1. Прикрепите объектива к камере PIV, включения PIV камеры в свободный/непрерывном режиме и крупно сфокусировать камеру PIV. Настройка диафрагмы PIV камеры позволяют достаточно света, чтобы быть получены датчик изображения; Этот параметр диафрагмы может отличаться при использовании комнаты в белый свет против освещения на основе лазера.
         1. Отрегулируйте объектив и расстояние до тех пор, пока размер изображения достаточно соблюдать области интереса. Выбор объектива и расстояние между камерой PIV и свет лист определяет физический размер изображения с камеры PIV. В идеале, размер изображения должен быть меньше (или аналогичные) размер установки света листа в 1.1.1.
      2. Обеспечить камеры PIV перпендикулярно света лист и грубо отрегулировать высоту таким образом, что области интереса (определяются границы света лист – см. шаг 1.1.1) находится в пределах PIV камеры поле зрения (FOV).
      3. Уровень PIV камеры в нижней части объекта потока (или относительно земли, если желательно иметь вертикальных скоростей, в соответствие с ускорение свободного падения). Это крайне важно что PIV камеры точно перпендикулярно света лист, так что это должны быть тщательно проверены.
      4. Выключите камеру PIV и включите лазер. Разместите цель калибровки и привести его в соответствие с центром света листа, а затем выключите лазер.
         Примечание: Цель калибровки является двумерной плиты (обычно сделаны из металла для целей жесткости), содержащий несколько маркеров (например, точек или пересекает) выравниваются в формировании регулярно интервал сетки. Пластину обычно окрашена в черный цвет с белыми маркерами. Известных расстояние между маркерами позволяет оценки коэффициент пересчета между физической единицы и пикселей.
      5. Включите фотокамеру PIV и уточнить направленность PIV камеры на цель калибровки. Пикселей камеры PIV будет определить, насколько хорошо региона могут быть решены в пространстве; Таким образом его следует рассматривать (см. шаги 2.1.1 и 2.1.4 для деталей на этих соображений).
      6. Один из образа. Подтвердите что камера PIV уровне путем обеспечения того, что высота в строке целевого объекта калибровки является последовательным, а также что горизонтально вдоль столбца целевого объекта калибровки согласуется. Проверьте размер маркеров калибровки в каждом углу изображения (в пикселах) для того, чтобы оценить количество искажение изображения, которое должно быть сведено к минимуму. Разница в размере калибровки маркеров на каждом из четырех углов в идеале должно быть равно нулю; но не должно отличаться более чем на 1 пиксел.
   3. Добавьте PIV Трейсеры к потоку.
      1. Выберите подходящую Трейсеры что являются нейтральн плавучесть (одинаковой плотности как жидкость), химически инертный, соответствующий размер и форму (сферических и достаточно мал, чтобы следовать за потоком) и имеют высокий показатель преломления относительно жидкости^12,13 .
         Примечание: В представленной тематическом исследовании, где жидкостью является вода, мы использовали полые стеклянные сферы с средний диаметр 10 мкм и плотность 1,1 г/см3.
      2. Ввести PIV Трейсеры в поток и запустить средство (колебания сетки) до тех пор, пока они хорошо смешиваются. Постепенно ввести Трейсеры и оценивать качество изображения и уровень плотности Трейсеры внутри него.
         Примечание: Большой разделение между трассирующими серый уровня интенсивности и фон является оптимальным.
         1. Оценки путем включения лазера и собирая изображения в режиме свободных/непрерывной. Трейсеры концентрация в изображении должна быть плотной, но не крапинами^4,14. Рассмотрим размер окна желаемого корреляции в выборе уровня концентрации, как он предложил, чтобы иметь вокруг 8-10 пар ясно частиц в PIV изображение пары для кросс корреляционный анализ⁴ (см. шаг 2.1.1).
   4. Настройка параметров PIV. PIV параметры состоят из PIV камеры частоту кадров (который является таким же, как скорость двойного-импульсов лазерного), времени между изображение пары (то есть, времени между подряд (двойной) лазерных импульсов) и количество пар изображений для сбора. Уточнение этих параметров может потребоваться после рассмотрения результатов от шага 1.1.5.
      1. Установка интервалов PIV камеры и лазерные (частоту). Эти определения времени резолюции пробы скорости векторных карт и должны быть как высоко, как можно (ограничение PIV камеры, лазер или на жестком диске) вплоть до половины маленьких шкале времени потока.
      2. Задайте время между последовательными PIV изображения (т.е. пара изображений PIV).
         1. Задайте время между последовательными PIV изображения, основываясь на средней скорости в объекте и размер окна допроса (см. 2.1.1). У Трейсеры перемещению примерно 1/4-1/2 допроса размер окна в то время, прошедшее между последовательных изображений. Время между последовательных изображений также устанавливает сроки между двумя лазерными импульсами.
         2. Предварительно определяют первого импульса огонь короткое время после открытия затвора камеры PIV. Если с помощью кросс корреляции PIV камеры, камеры PIV сохраняет изображение в буфер памяти и заново открывает затвора снова.
         3. Огонь второй лазерного импульса, основанный на время установки здесь. После второй пульс пожары, затвора камеры будет снова закройте, отправив оба изображения фрейм граббер (или бортовой памяти камеры PIV).
         4. Определите время между первого импульса, которые вызывают приобретение первое изображение пары изображений и первый импульс, который вызывает приобретение первое изображение пары последующих изображение, кадр PIV ставке (см. 1.1.4.1).
      3. Задайте число пар изображений для сбора. Число пар изображений для сбора должен быть выбран для обеспечения конвергенции статистических реологические свойства, который зависит от экспериментальной установки, но обычно находится в диапазоне от сотен до тысяч пар изображений.
   5. Тестирование установки PIV.
      1. Установить режим внешним триггером для обоих лазерных головок лазерных и увеличить мощность лазера. Полностью затмите номер.
      2. Начать сбор данных в синхронизированном непрерывном режиме на пару секунд.
      3. Остановка сбора данных.
      4. Крест коррелируют изображение пары собрал (см. 2.1.1).
         1. Если процент хороших векторов, передавая сигнал шум коэффициент (коэффициент наивысший пик крест корреляция на второй высокий крест корреляция пик – см. 2.1.1) находится в верхнем диапазоне 90% или средняя трассирующими, перемещения в пределах допроса windows являются не примерно 0,25-0,5 размера окна допроса, повторить и проверки правильности осуществления шагов в разделе 1.1 до тех пор, пока она достигается. После того, как достигаются эти значения, остановите объект (остановка сетки колебание).
2. Настройка отслеживания 2D высокоскоростных частиц
   1. Расположите монохроматический светодиод линии.
      1. Выберите Светодиодные линии таким образом, что он освещает частицы исследуемых (например, частицы отложений) с большой рассеяния света (большая разница в преломления частицы в отношении жидкость). Она должна также иметь возможность светиться непрерывно или по курсу, который может быть синхронизирован с помощью камеры PT.
      2. Уменьшить толщину линии света идеально соответствуют PIV света толщина, но не более чем в 10 раз толще, чем PIV света толщина для уменьшения разночтений вследствие движения частиц из плоскости.
      3. Размер ширины линии светодиодные матч или охватывать PIV FOV. Монтировать перпендикулярно света лист, порожденных лазер, так, что есть никаких проблем света блокировки (например, PIV света листа со стороны) и индикатор снизу LED. Смотрите Рисунок 1.
      4. Выровняйте линии светодиодные, таким образом, что PIV света толщина центрируется в пределах Светодиодные света толщины линии. Только корректировать позиционирование светодиодный свет для достижения такой согласованности. Движения легкие листа PIV потребует повторяя шаги в разделе 1.1.
   2. Позиции и выполнить предварительные калибровки высокоскоростной камеры PT.
      1. Прикрепите объектив на камеру PT, включите камеру PT в режиме свободных/непрерывная/Live и крупно сфокусировать камеру PT. Если необходимо, отрегулируйте диафрагмы камеры PT позволяет достаточно света, чтобы быть получены датчик изображения камеры PT; Этот параметр диафрагмы может отличаться при использовании комнаты в белый свет против освещения на основе светодиодов. Выбор объектива и расстояние между камерой и светодиодные линии света определяет физический размер изображения с камеры PT. В идеале, камеры PT ПЗ будет меньше (или аналогичные) размер области, освещенные СИД.
      2. Убедитесь, что высокоскоростной камеры перпендикулярно линии света и грубо Отрегулируйте высоту так, что регион интерес внутри камеры PT ПЗ и включают PIV FOV.
      3. Уровень камеры PT что касается нижней части объекта потока (или относительно земли, если желательно иметь вертикальных скоростей, в соответствие с ускорение свободного падения). Это upmost важно, что камеры PT быть точно перпендикулярно плоскости, освещенный линии света, так что это должны быть тщательно проверены.
      4. Выключите камеру PT, включите свет линия и разместите цель калибровки выровнен по центру линии света, а затем выключить линии света.
      5. Включите камеру PT и совершенствовать свое внимание на цель калибровки. Доработать объектива и расстояние до тех пор, пока размер изображения достаточно соблюдать региона интерес и охватывать PIV FOV.
      6. Выбор объектива и расстояния, таким образом, что высокоскоростной камеры PT угол обзора больше, чем PIV FOV. Эта мера необходима для того, чтобы убедиться, что камера PIV и высокоскоростной камеры PT не блокирует физически друг друга.
      7. Организовать камер PT и PIV вертикально (stacked) или смещение в сторону друг друга. Это может быть удобно для выравнивания один угол высокоскоростной PT ПЗ и PIV FOV. Пикселей камеры PT будет определить, насколько хорошо региона могут быть решены в пространстве; Таким образом он должен рассматриваться. Коэффициент пересчета между физической единицы и пикселей определяет физическое расстояние, пройденное на один пиксел. Частицы должны вытеснять приблизительно 3-10 пикселов между последовательных изображений, и если это перемещение, слишком большой (или малые) потому что FOV слишком мал (или слишком большой) или количество пикселей, слишком большой (или слишком мал) затем частицы не могут вытеснить идеал количество точек между изображениями (см. также 1.2.3.2).
      8. Выберите частиц для расследования.
         1. Используйте частицы интереса гораздо больше, чем PIV, посев Трейсеры достаточно различие между исследуемых частиц и трейсеры PIV. Мы добились успеха с частицами, примерно в 5 раз больше, чем PIV Трейсеры и рассмотреть этот нижний предел, но предел может зависеть от частиц преломления и источников света. Исследуемых частиц должна охватывать около 4-5 пикселов в изображении высокоскоростной камеры. Таким образом размер исследуемых частиц может позволить для меньше пикселей для высокоскоростной изображения чем PIV изображения.
         2. Повторите шаги 1.2.2.1-1.2.2.5, необходимых для достижения этого шага.
      9. Приобрести одно изображение цели калибровки. Убедитесь, что Камера PT является уровень путем обеспечения того, что высота в строке целевого объекта калибровки последовательной и что горизонтально вдоль столбца целевого объекта калибровки согласуется. Также проверьте размер маркеров калибровки в каждом углу изображения для того чтобы оценить количество искажение изображения, которое должно быть сведено к минимуму (не отличается более чем на 1 пиксел).
   3. Установите параметры высокоскоростной камеры. Параметры высокоскоростной камеры состоят из частота кадров камеру PT (в этом случае также установление времени экспозиции), разрешение камеры PT (полный кадр или биннинга пикселей для увеличения частоты кадров или продлить время приобретения) и количество изображений сбор.
      1. Задайте количество изображений быть собраны (т.е., длина приобретение время). Количество изображений собраны влияет количество траекторий частиц измеренная — длиннее время приобретения, больше траектории, которые могут быть измерены.
      2. Задайте частоту кадров (и время воздействия) и разрешение высокоскоростной камеры PT.
         1. Избегайте установки стоимость приобретения высокоскоростной изображения на том же или нескольких PIV частота кадров. Задайте частоту кадров на основе сметных скорость частиц в потоке. Частицы должны вытеснять пикселей более чем 1 или 2 для того, чтобы избежать случаев перекрытые частиц в двух последовательных изображений; Однако большой разрыв (> 10 пикселей) приведет к менее уверенность в определении той же частицей в последовательных изображений, уступая потери траектории частиц (см. 2.2.4). Отрегулируйте PT камеры резолюция и частоты кадров для достижения перемещения частиц в этом диапазоне (3-10 пикселей).
   4. Тестирование установки высокоскоростной камеры.
      1. Линия усилителя светодиод свет и в противном случае затемнить номер.
      2. Запуск объекта (начало осциллирующий сетки).
      3. Внедрить частиц в потоке и захватить несколько кадров после частицы появляются в высокоскоростной камеры ПЗ. Наложение последовательных кадров и оценить ли отличишь частиц в последовательных кадров.
         1. Проверьте, что введение частиц в ПЗ высокоскоростной камеры происходит достаточно далеко от FOV вход эффекты незначительны, что плотность частиц достаточно редкие, что не есть частые случаи дублирования частиц в пределах высокоскоростной изображение ПЗ, и что движение частиц в первую очередь в плоскости образы так что частицы прослеживается на глаз в камере ПЗ/PT камеры изображения истории.
         2. Если эти результаты не получены, затем повторите 1.2 до тех пор, пока она достигается. После того, как достигнуто, остановите объект (остановка сетки колебание).
3. Комбинированный окончательной калибровки
   1. Позиции целевой калибровки в PIV и PT камеры FOVs и внутри PIV и светодиодные легкие листы. Цель калибровки должны быть viewable PIV камеры и высокоскоростной камеры PT. Убедитесь, что обе камеры находятся в центре внимания. Если он не в фокусе, шаги 1.1 и 1.2 необходимо повторить для камеры PIV и высокоскоростной камеры, соответственно.
   2. Убедитесь, что по крайней мере один уникальный Марк существует на целевом калибровки, который доступен для высокоскоростной камеры ПЗ и PIV камеры ПЗ. Измерить и обозначают положение этого уникального знака в физическом пространстве пространственной регистрации между изображениями для целей.
   3. Калибровка высокоскоростной камеры, захват и сохранив одно изображение мишени калибровки по высокоскоростной камеры PT. Калибровка камеры PIV таким же образом.
   4. Удаление целевой калибровки из жидкости.
4. Сбор данных
   1. Запустите средство (колебания сетки) пока достигнет устойчивого состояния (~ 20 мин).
   2. Задать условия освещения, потемнение номер и повернув на светодиод света. Добавьте частицы в жидкости.
   3. Синхронно Начните получение изображения для обеих систем, когда первый частицы появляются в высокоскоростной камеры PT ПЗ (в режиме реального времени).
   4. Скачать высокоскоростной фотографии из RAM для высокоскоростной камеры PT и сохранить изображения, полученные путем PIV камеры.
   5. Остановить объект (остановить колебания сетки).

2. анализ

Примечание: Существует множество пакетов программного обеспечения для выполнения анализа изображений PIV и PT-как коммерческие, так и бесплатных. Для анализа PIV freeware коды являются OpenPIV (http://www.openpiv.net/) и MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). Коммерческие компании также продают PIV анализа программного обеспечения. Для анализа PT многочисленные коды отслеживания частиц существует в 3D и 2D таких Частиц Tracker (https://omictools.com/particle-tracker-tool); полный перечень различных программных платформ можно найти здесь: https://omictools.com/particle-tracking-category или http://tacaswell.github.io/tracking/html/. Большинство анализ пакетов, например, MATLAB, имеют встроенные инструменты, которые делают его сравнительно легко осуществить свой код отслеживания. Для получения результатов, представленных в данном исследованииOpenPIVиспользовались TSI Insightи MATLAB пользовательской кодов слежения.

1. Анализ изображений PIV
   1. Разделить сетку допроса windows (например, 64 x 64 пикселей² с 50% перекрытием) над которыми скорость средняя потока на каждом окне вычисляется по кросс корреляции двух последовательных PIV изображения (то есть, PIV изображения пара) как каждое изображение подробно настройка PIV, разделу 1.1.4.2.
      Примечание: Расстояние между пик корреляции в каждом окне и центре окна определяет средний трассирующими перемещения в этом окне. Как только калиброванные, это смещение, деленное на время между последовательными PIV изображений (PIV изображения пара - см. шаг 1.1.4.2) дает оценки этих двух компонентов в плоскости скорости в каждом месте⁴. Коллективно это называется скорость векторной карты. Размер окна допроса определяет разрешение поля потока производится анализ PIV половину этого расстояния является вычисляемым скорости вектор интервал. Этот интервал вместе с пиксель на физическую единицу измерения коэффициентов задает разрешение области измерения расхода. Кроме того для получения низкого количества ошибочных векторов (см. 2.1.2), достаточное количество Трейсеры должны присутствовать в каждом окне (по крайней мере 8-10 Трейсеры), и они не должны вытеснять более чем около ¼ до ½ размера окна.
   2. Фильтровать результаты кросс-корреляции для удаления ложных результатов от скорости векторных карт.
      1. Примените фильтр сигнал шум (SNR). Требующих коэффициент 1.5 и выше обычно используется (это число может меняться в зависимости от конкретных экспериментальных условиях).
         1. Установить соотношение между первым и вторым SNR либо наивысшая корреляции в окне допроса или соотношение между первым и средняя корреляции над окном конкретные допроса. Оптимизируйте соотношение SNR для каждого набора экспериментов. Количество векторов, при отсутствии SNR проверка не должна превышать 10%.
      2. Фильтр, оставаясь ошибочных векторов (не более 5% между шагами 2.1.2.2 и 2.1.2.3) с помощью глобального фильтра, который сравнивает каждый индивидуальный скорости вектор с карта средней скорости плюс или минус три стандартных отклонений скорости карты и исключает скорости за пределами этого диапазона.
      3. Фильтр, оставаясь ошибочных векторов (не более 5% между шагами 2.1.2.2 и 2.1.2.3) используя локальный фильтр, который сравнивает каждый индивидуальный скорости вектор с средней скоростью окрестности вокруг скорости векторов, обычно 5 x 5 в размер.
         Примечание: Использование медианы и определение размера окрестности могут изменяться в зависимости от конкретных экспериментальных условиях.
   3. Замените ошибочных векторов, найденных на шаге 2.1.2 с интерполяцией векторов (или медиана окрестности), с использованием информации от окружающие окрестности векторов, обычно размером 5 x 5.
   4. Определите коэффициент конверсии расстояние в пиксель. Изучите, сколько пикселей перевести на определенное расстояние, используя расстояние между маркерами на цель калибровки, отображаемого в шаге 1.3.3.
   5. Калибровка векторов. Преобразовать векторов, вычисляемые в 2.1.1-2.1.3 шаги в физических единицах, используя этот фактор преобразования из шага 2.1.4 и время между пар изображений, набор в шаге 1.1.4.2; Преобразование смещения в пикселях в скорости в физических единицах.
2. Анализировать высокоскоростной фотографии
   1. Удалите любые кадры из временных рядов высокоскоростной изображения, в котором PIV лазер был освещающей потока.
      1. Сумма значений интенсивности каждого кадра приобрел. Кадры, в которых мигает PIV лазера имеют суммируются интенсивности, что гораздо больше, чем те, без лазера PIV, активные в изображении. На основании порогового значения суммируются интенсивности, удалите любые изображения из временных рядов, которые суммируются интенсивность больше порога. Смотрите раздел 1.2.3.2 для указания сводить к минимуму количество кадров, для которых это происходит.
   2. Преобразуйте остальные изображения в градациях серого в двоичные образы с помощью порогового значения. В этом случае мы используем метод Оцу чтобы определить порог, который преобразует частицы в белый и черный фон.
   3. Выполните анализ больших двоичных объектов для каждого изображения.
      1. Определите регионы подключения в черно-белое изображение - далее именуемые как объекты. Как правило используется подключение 8 пикселей.
      2. Удалите объекты, которые намного меньше в зоне (то есть, количество пикселей, объект потребляет в изображении) чем типичный частиц размер в пикселях в изображении, обычно вокруг 3 пикселей.
   4. Вычисления траекторий частиц.
      1. Определение центра тяжести (оставшихся) всех объектов в первом изображении.
      2. Для каждого объекта обнаружен Поиск последующих изображение для того же объекта путем поиска в районе вблизи центра тяжести в предварительного изображения. Если только один частиц/объект в окне поиска найден, затем продолжить траектории и запишите расположение центра тяжести в этом образе; в противном случае прекратить траектории.
         Примечание: Слишком большой поиска области может привести к неправильной идентификации частицы в последующие изображения, поэтому области поиска должны быть как ограничены как можно больше не вызывая предвзятости в результатах. Если положение объекта в рамках последующих часто на максимальный диапазон окна поиска, то окно поиска не является достаточно большой.
      3. Повторите шаг 2.2.4.2 до тех пор, пока объект больше не может быть найден в последующие изображения. Когда это происходит, траектории считается завершенной.
         Примечание: Если отслеживает большинство частиц являются последовательно короткий (например, менее 5 кадров), то этот результат может означать, что существует значительный трехмерного движения и что этот метод не подходит. Как правило частица трека должна быть по крайней мере ¼ частицы, отслеживание ПЗ¹⁴; Однако необходимость трек длин может варьироваться с приложением.
      4. Повторите шаги 2.2.4.1-2.2.4.3 начиная с второй кадр для любых объектов, уже не отслеживается от кадра 1. Повторите этот процесс для всех возможных начиная кадров. Результат будет библиотека траекторий частиц на протяжении всего эксперимента.

3. анализ

1. Вычислите частиц скоростей и ускорений от позиции траектории, полученные от высокоскоростной изображения, используемые для PT.
   1. Дифференцировать траекторий частиц выполнены в 2.2 времени (основанный на наборе кадров скорость на шаге 1.2.3.2) для вычисления скорости в каждом направлении. Это время дифференциация приводит к оценкам Лагранжа скорости частиц в пикселях в единицу времени.
      Примечание: Этот шаг только необходимо выполнить по желанию информации скорости частиц.
   2. Калибровка скорости путем преобразования скорости из пикселей в единицу времени на расстояние в единицу времени. Коэффициент пересчета (расстояние на пиксель) можно получить путем изучения расстояние между маркерами на цель калибровки, отображаемого в шаге 1.3.3.
2. Выполните Рейнольдс разложения на PIV векторных карт для вычисления турбулентного количествах.
   1. Вычислите среднее ансамбль над все PIV скорости векторных карт, собранные в каждом месте в PIV векторных карт, полученные из шаг 2.1.
   2. Выполните Рейнольдс разложение путем вычитания эти средние значения, вычисляемые в 3.2.1 от мгновенной скорости в каждой карте для получения временных рядов турбулентного скорость колебаний.
   3. Вычисление статистики, представляющих интерес, например, бурной скоростью корень значит квадрат (RMS). Кроме того один можно изучить турбулентного колебания в местах точное частиц в пределах траекторий.

Representative Results

На рисунке 1показана схема экспериментальной установки. На рисунке показано расположение света листов (Светоизлучающие и лазерные), перекрытия в FOVs и положение FOVs относительно осциллируя сетки и стенок цистерны. Одновременно, как описано в разделе протокол измерения турбулентности и частиц. На рисунке 2 показан пример результатов измерений мгновенной скорости и завихренность наряду с образца траекторий частиц. Результаты анализа PIV, оцениваются на основе вычисления RMS турбулентного колебания. Для этого осциллируя ГРИД величина пространственной среднее колебания скорости RMS над PIV FOV следует увеличить с частотой сетки для обоих компонентов скорости^7,15. Если этот результат не получается, то ГРИД, PIV установки или PIV анализа содержат ошибки и должен быть повторен. Пример вертикального профиля колебания скорости RMS для сетки частот приводится в Рисунок 3, где показано, что RMS турбулентного колебания увеличить с частотой сетки.

Траекторий частиц, оцениваются путем изучения распределения скоростей, полученные из траекторий частиц, как показано на рисунке 4. Эти дистрибутивы должны быть приблизительно Гаусса в распределении. Если они нет, то может быть проблема с приобретением высокоскоростной изображений в зависимости от условий конкретного потока, проблема с анализом высокоскоростной фотографии, или недостаточное количество траекторий частиц. В этой конкретной применение метода проверка результатов траектории также может быть достигнуто путем сравнения к Дитрих¹⁶ кривых для стоячей воде. Вычисления траектории в стоячей воде, используя те же процедуры, изложенные здесь для частиц должна принести скорость осаждения, что примерно соответствует эти эмпирические кривых, как показано на рисунке 5, где результаты для стоячей потока состояния показывают соглашение с Дитрих¹⁶ кривых. Рисунок 5 также демонстрирует, что частицы, как правило, увеличение скорости осаждения турбулентности как описано в Jacobs et al. ⁷.

Рисунок 1: схема описание экспериментальной установки, который состоит из сетки турбулентности танк, изображение частиц Велосиметрия установки (с использованием камеры CCD (PIV) и лазер) и 2D высокоскоростной визуализации частиц отслеживания установки (с помощью камеры CMOS (PT) и светодиодный свет ). Размеры на схеме предоставляются в сантиметрах. Эта цифра была изменена от показанного в Jacobs et al. ⁷ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: распределение скоростей и траектории. (A) пример мгновенной скорости жидкости распределение представлены векторов в накладывается на мгновенный завихренность характеризуется цвета пикселей/сек. Вектор красный масштаба в левом нижнем углу представляет 500 пикселей в секунду (B) пример покадровой (более 30 изображений PT) траекторий частиц с 261 средний диаметр мкм при колебаниях сетка 5 Гц. Группа B этот показатель был изменен от показанного в Jacobs et al. ⁷ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: горизонтально в среднем вертикальные профили RMS по горизонтали () и (b) вертикальной турбулентного колебаний для всех сетки частот (смотри Легенда). Бурные RMS скорости увеличения с частотой сетки. RMS значения основаны на 500 векторных карт вычисляется во всех местах службы, а затем впоследствии усредненное все горизонтальности (50 очков) на каждом вертикальном положении для получения вертикальных профилей показано. Эта цифра была изменена от показанного в Jacobs et al. ⁷ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4: гистограммы частиц измеряется горизонтальных и вертикальных скоростей в стоячей воде и турбулентных условиях (см. субтитры) (, левый двух панелей) естественных (неправильной формы) песка частиц с 261 мкм средний диаметр и (B, право два панелей) сферической синтетические частицы с средний диаметр 71 мкм. Линии в сюжетных линий являются Гаусса подходит для гистограммы. Эта цифра была изменена от показанного в Jacobs et al. ⁷ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5: урегулирование скорости в условиях стагнации и турбулентного потока против размера частиц для нескольких различных типов частиц. Как показано в легенде, цвета представляют типы различных отложений: синтетические или промышленных частиц, несколько промышленных песок типов (120, 100, 35) и песок из местного пляжа в Миртл-Бич, SC-см. таблицу 1 в Jacobs et al. ⁷ для получения более подробной информации. Символы, включая заполненный круг, указывают условия потока в виде сетки частот в легенде, где застой относится к нулевой частоты. С увеличением частоты сетки, RMS бурной скоростью колебания увеличить. Эмпирических кривых Дитрих¹⁶ на скорость осаждения частиц в стоячей воде также показано несколько факторов различной формы. Эта цифра была изменена от показанного в Jacobs et al. ⁷ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Метод, описанный здесь является относительно недорогим и обеспечивает простой способ одновременно измерять траекторий частиц и турбулентности в целях изучения влияния потока на Кинематика частицы. Примечательно отметить, что потоки или движения частиц, которые сильно трехмерной не подходят для этой техники. Вне плоскости движения приведет к¹⁷ ошибок в 2D отслеживания и анализа PIV и должны быть сведены к минимуму. Кроме того метод требует концентрации гусеничных частиц считается относительно низким (порядка десятков частиц на изображение PT). Это ограничение имеет важное значение для того, чтобы увеличить уверенность, что же частица отслеживается в последовательных изображений. Если слишком много частиц существуют одновременно в ПЗ камеры PT, затем неточности в расчетах траектории и досрочное прекращение траекторий может произойти, а также увеличение ошибок в анализе изображений PIV. Следовательно проблемы, связанные с флокуляции частиц будет сложным для этой техники расследовать, поскольку концентрации крупных частиц обычно необходимы. Наконец, этот метод лучше всего подходит для отслеживания крупных частиц (> 50 мкм). Там должно быть достаточное разделение между PIV Трейсеры (~ 10 мкм) от частиц, которые отслеживаются. Предлагается по крайней мере 5 раз.

Наиболее важные шаги в протоколе для отслеживания частиц являются шаги калибровки, выбор частоты кадров, концентрация частиц в образы и обеспечивая высокое соотношение сигнал шум в высокоскоростной изображения. BLOB-объектов анализа требует преобразование серого изображения в черно-белые изображения, по которой вычисляются траекторий частиц. Если контраст в высокоскоростной фотографии такова, что это преобразование является сложным, ошибки в траекторий, вероятно, потому что будет неопределенности в идентификации частиц. Недостаточная частиц перемещения, слишком большие перемещения между кадры, или слишком много частиц может привести к ошибкам в траекторий частиц и/или досрочного прекращения траекторий частиц. Для PIV, калибровка размера изображения, установка времени между парами изображения, правильный подбор трассировщиков и подробно выравнивание между PIV камеры и лазерного являются наиболее важные шаги для обеспечения хорошего результата в PIV корреляционного анализа , который является ключевым для получения точных статистических данных о турбулентности.

Здесь мы продемонстрировали результаты технику, применяя его для изучения скорость осаждения различных типов и размеров частиц отложений в изменяющихся условиях турбулентного. Результаты показывают почти гауссовское распределение частиц, урегулирования скоростей (а также горизонтальной скорости) из которых среднее считается типичная скорость осаждения для этой частицы в различных условиях. RMS бурной скоростью колебания свидетельствуют об увеличении с частотой сетки как ожидается^7,15 и являются примерно равномерное над вертикальной высоты ПЗ (Помимо низкой турбулентностью случай - сетка частотой 2 Гц, см Рисунок 3 ). Вместе, эти результаты показывают, что одновременное измерение частицы и поля потока были успешными. Они также показывают, что существуют более отстойные скорости с увеличением турбулентности⁷, которая согласуется с теорией «ускоренного» отстойные поведения частиц в турбулентный поток¹¹.

Использование метода здесь является одним из примеров решения научный вопрос взаимодействия частиц турбулентности; Этот метод может использоваться в других исследовательских дисциплин и приложений. Помимо изучения тенденций в конкретный аспект поведения частиц в различных условиях потока, это также возможно для изучения скорости потока в конкретных случаях время вдоль траектории частицы. Интеграция информации скорость потока с данными траектории частиц зависит от конкретного вопроса расследование и предлагает потенциальным богатство информацию о Кинематика частицы в потоках для большого спектра приложений. Таким образом эта техника предлагает недорогое решение для одновременного измерения траекторий частиц и турбулентности в ряде приложений, где поток жидкости взаимодействует с естественными или искусственными частиц.

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.