Yöntem makalesi

Eş zamanlı ölçüm türbülans ve akış görüntüleme teknikleri kullanarak parçacık kinematik

DOI:

10.3791/58036

⸱

12 Mart 2019

 , 
1Department of Coastal and Marine Systems Science, Coastal Carolina University

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada açıklanan teknik parçacık kinematik ve türbülans akar düşük parçacık konsantrasyonları ile eşzamanlı olarak ölçmek için düşük maliyetli ve nispeten basit bir yöntem sunar. Türbülans partikül imaj velosimetri (PIV) ölçülür ve parçacık kinematik bir örtüşen alan bakış açısı yüksek hızlı kamera ile elde edilen görüntüler üzerinden hesaplanır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Türbülanslı akış, kirleticiler, deniz mikro-organizmalar, ve/veya çökeller okyanus, veya akışkan Yataklı reaktörler ve yanma süreçlerinde gibi parçacıklar kinematik anlayış bilimsel ve mühendislik alanlarında çok sayıda sorunları dahil Mühendislik sistemleri. Türbülans etkisi böyle akar parçacıklar kinematik çalışma için akış ve parçacık kinematik simultane ölçümleri gereklidir. Non-müdahaleci, optik akış ölçüm teknikleri türbülans ölçmek için veya parçacıklar, izleme için bulunmaktadır, ancak her ikisi de aynı anda ölçme teknikleri arasında girişime nedeniyle zor olabilir. Burada sunulan yöntem akışı ve parçacık kinematik simultane ölçümleri yapmak için düşük maliyetli ve nispeten basit bir yöntem sağlar. Bir kesit akış hızı ölçüm uçak için iki bileşenleri sağlar bir parçacık görüntü velosimetri (PIV) tekniği kullanılarak ölçülür. Geniş puls lazer tarafından dijital bir kamera görüntüsü numaralı seribaşı akışı alanı aydınlatma için bu tekniği kullanır. Parçacık kinematik aynı anda yansıma kullanarak bir ışık yayan diyot (LED) LINE lambasının düzlemsel bir kesit PIV alan bakış açısı ile (FOV) ile çakışıyor akışı aydınlatır. LINE lambasının yeterince düşük PIV ölçümleri etkilemez, ama yeterince güçlü ilgi büyük parçacıkların aydınlatmak için yüksek hızlı kamera kullanarak yansıma gücüdür. Lazer bakliyat üzerinden PIV tekniği içeren yüksek hızlı görüntüler her yüksek hızlı görüntü toplanan yoğunluk düzeyini incelenerek kolayca süzülür. Yüksek hızlı kamera kare hızı o PIV kamera kare hızı ile incommensurate yaparak, yüksek hızlı zaman serisi kirlenmiş kare sayısı en aza indirilebilir. Teknik ağırlıklı olarak iki boyutlu ortalama akışları için uygundur, en az 5 kez izleyiciler tohum PIV ortalama çapı ve konsantrasyon düşüktür parçacıklar içerir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Türbülanslı akış, parçacıklar davranışını örneğin ilgili bilimsel ve mühendislik alanlarında uygulamaları, aerosoller atmosfer, kirleticiler ve/veya çökeller mühendislik sistemleri ve deniz, çok sayıda var mikroorganizmalar veya tortu okyanus1,2,3. Bu tür uygulamalar genellikle nasıl partiküller parçacık kinematik ve akışkanlar dinamiği eş zamanlı ölçüm gerektirir türbülans için yanıt anlamak ilgi olacaktır.

Parçacık hareketleri, bireysel parçacık yörüngeler ve partikül imaj velosimetri4,5 (PIV) istatistiksel teknik takip izleme (PT), ivmelendirici ölçmek için mevcut teknolojilerin akışı ölçmek için kullanılan hızları, her ikisi de non-müdahaleci optik teknikleri dahil. Aynı anda hem akışı ve parçacık kinematik ölçmek için bu non-müdahaleci optik teknikleri kullanarak ana diğer ölçüm doğruluğu (ile müdahale edemezsin her görüntüleme tekniği için gerekli ayrı aydınlatma mücadeledir Örneğin, parçacık kinematik ölçme aydınlatma kaynağı önemli gürültü kaynağı sıvı hız ölçüm ve ahlak bozukluğu-çok yönlü olarak rol yapamaz). Görüntü kontrastı görüntülerin her iki kümedeki güvenilir sonuçlar elde etmek için yeterli olması gerekir. Örneğin, PT resim parçacık konumlarını belirlemek için bir blob analizi gerçekleştirmek için siyah beyaz görüntülere dönüştürülür; Böylece, yetersiz kontrast parçacık pozisyon hatalara yol açar. Zavallı kontrast PIV görüntüleri miktarda yanlışlıklar akışkan hızları tahmininde neden olacak bir düşük sinyal gürültü oranı.

Burada, aynı anda her iki parçacık kinematik ve akış hızları ölçmek için nispeten düşük maliyetli ve basit bir yöntem açıklanmıştır. Yüksek güçlü bir monokromatik ışık yayan diyot (LED) satırı ışık, nerede satır ışık diyafram ve çift kafalı yüksek yoğunluktaki lazer başvurur, kullanımı ile faiz ve akışı alan her iki parçacıkların aynı bölgede aynı anda görüntüsü. LED yüksek güç yüksek hızlı kamera tarafından (Zincirli) parçacıkların görüntüleme için yeterlidir ama PIV tarayıcıları dağınık ışık yoğunluğu çok düşük olduğundan PIV görüntüleri etkisi yoktur. Ne zaman bir kısa zaman aralığı üzerinde oluşur akışı alan PIV görüntüler için çift kafalı yüksek yoğunluktaki lazer aydınlatan ve bu görüntüleri kolayca belirlenir ve bunlar kaydedilir zaman yüksek hızda PT kamera tarafından elde edilen zaman serisinden kaldırıldı. PIV lazer bakliyat serisi iki sistem birbirleriyle orantılı çerçeve kazanım hesaplı çalıştırarak değil minimize edilebilir yüksek hızlı görüntü (parçacık izleme için kullanılan) zamanında kaydedildi. Daha gelişmiş ayarlar içinde bir harici PT ve PIV fotoğraf makinesi bu değil durum sağlayacak bir gecikme ile tetikleyebilir. Son olarak, tarafından dikkatli bir değerlendirme parçacıklar PIV görüş alanı içinde (FOV) izlenen tutarın PIV görüntüleri korelasyon analizinde izlenen bu parçacıklar tarafından tanıtılan hataları zaten dikkate genel hata tahmini tarafından alınır, PIV izleyiciler sorgu penceresi içinde olmayan evrensel boyutu dağılımı ile ilişkili dahil hatalar. İzleyiciler tohum PIV büyük çoğunluğu akış, doğru akış hızı tahminleri verimli izliyorsunuz. Bu teknikler her iki parçacık kinematik ve akış alanı iki boyutlu düzlemde aynı anda doğrudan ölçümü etkinleştirin.

Bu çalışmalarda Yang ve utangaç6 ve Jacobs ve ark. tarafından kullanılan benzer bir türbülanslı akış özellikleri yerleşme parçacık belirlemek için uygulayarak bu teknik gösterilmiştir 7. parçacık yerleşme genellikle tortu süspansiyon, taşıma ve yerleşme oluşan sediment taşıma son aşamasında olduğunu. Türbülanslı akış içinde yerleşme parçacık ele sahip çoğu önceki çalışmaları, ya parçacık yörüngeleri veya çalkantılı hızları değil doğrudan ölçülür ama teorik olarak anlaşılmaktadır veya8,9,10modellenmiştir. Parçacıklar ve türbülans arasındaki etkileşimleri ile ilgili ayrıntılar en sık araştırdık her ikisi de aynı anda ölçüm deneysel sınırlamaları nedeniyle teorik ve sayısal modeller kullanarak6,11. Biz nereye biz çalışma dispersiyon hız parçacıklar ve onların kaplin türbülans ile salınan bir kılavuz tesiste bir parçacık-türbülans etkileşimi örnek çalışma mevcut. Anlaşılır olması için bundan sonra biz parçacıklar "parçacıklar" ve "izleyiciler"; PIV tekniği için kullanılan tohum parçacıklar olarak soruşturma altında sevk edecektir Ayrıca, biz parçacık yörüngeleri yüksek hızlı görüntüleme "parçacık izleme", "PT" veya "yüksek hızlı görüntü" ve "PIV kamera" PIV yöntemi için kullanılan kamera ölçer, "yüksek hızlı" fotoğraf makinesi olarak kullanılan kamera sevk edecektir, "resimler" ölçer. Burada açıklanan yöntemi parçacıklar kinematik ve akışkanlar dinamiği eş zamanlı ölçüm tesis içinde ilgi önceden tanımlanmış bir alan sağlar. Elde edilen verileri parçacık-türbülans etkileşimi iki boyutlu bir açıklamasını sağlar.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Not: Bütün personel güvenli kullanımı ve sınıf IV lazerler de olduğu gibi güvenli kullanımı işleyişi ve işletme el ve güç araçları eğitim.

1. deneysel Set-up

  1. PIV Kur
    1. Çift kafalı lazer ve optik ayarlayın.
      1. Lazer optik bir tabağa yerleştirin. Lazer saygı ile tesisin alt (veya dikey hızları yerçekimi ivmesi ile hizalı olması istenirse zemin açısından) düzeyinde ve lazer ışını yansıması için 2B düzleme Merkezi ile dikey olarak hizalama.
      2. Silindirik objektifin optik kalenin güvenliğini sağlama tarafından lazer ışını yolundaki yerleştirin. Objektifin 2B düzleme ışın oluşturacak. 2B düzleme yansıma boyutunu objektif ve bölge araştırılması için mesafe odak uzunluğu bağlı olacaktır. Işıklı bölge belirli uygulama için yeterli büyüklükte olana objektif ve mesafe ayarlanır.
      3. Küresel bir lens optik plaka silindirik objektif ve 2B görüntü uçak arasında yerleştirin. Küresel ve silindirik mercekler ve küresel objektifin odak uzaklık arasındaki mesafe 2B düzleme ışıklı (hafif levha) kalınlığını belirler. Hafif levha yaklaşık 0,5-1 mm kalın olana bu mesafe ve lens odak uzaklığı ayarlayın.
    2. Getirin ve PIV kameranın ön kalibrasyon gerçekleştirmek.
      1. Bir lens PIV kamera, tahrik PIV kamera ücretsiz/sürekli modunda ekleyin ve kaba PIV kamera odaklama. F-stop PIV kameranın görüntü algılayıcı tarafından alınmak üzere yeterli ışık izin ayarlamak; Bu f-noktası ayarı Oda beyaz ışık Lazer tabanlı aydınlatma karşı kullanırken farklı olabilir.
        1. Görüntünün boyutunu bölgenin ilgi gözlemlemek için yeterli olana objektif ve mesafe ayarlanır. Seçim objektif ve PIV kamera ve ışık sayfası arasındaki mesafe PIV kameranın görüntü fiziksel boyutunu belirler. Görüntünün boyutunu daha küçük (veya benzer) ideali, 1.1.1 hafif levha kurulumunda boyutu.
      2. PIV kamera ışık sayfasına dik olduğundan emin olun ve kaba yüksekliği ayarlamak öyle ki bölgenin ilgi (hafif levha sınırlarıyla – tanımlanan adım 1.1.1 bakın) PIV kameranın alan bakış açısı içinde (FOV) olduğunu.
      3. PIV kameranın alt kısmındaki akış olanağı ile ilgili olarak (veya dikey hızları yerçekimi ivmesi ile hizalı olması istenirse zemin açısından) düzey. Bu son derece bu iyice kontrol edilmelidir PIV kamera ışık sayfasına tam dik olmak önemlidir.
      4. PIV fotoğraf makinesini kapatın ve üzerine lazer açın. Kalibrasyon hedef yeri ve hafif levha orta ile hizalayın, sonra lazer çevirmek.
        Not: Bir düzenli aralıklı grid oluşumu uyumlu (Örneğin, puan veya kesiştiği) birden çok işaretçileri içeren (genellikle metal sertlik amaçlar için yapılmış) bir iki boyutlu plaka, kalibrasyon hedeftir. Plaka genellikle siyah beyaz işaretleri ile boyanmıştır. Veri işaretleyicilerini arasında bilinen mesafe tahmini fiziksel birimleri ve piksel arasında bir dönüştürme faktörü sağlar.
      5. PIV kamera yeniden açın ve Kalibrasyon hedefte PIV kameranın odak rafine. PIV kameranın piksel çözünürlüğü ne kadar iyi bölge alanı içinde çözülebilir belirleyecektir; Böylece, (bkz: adım 2.1.1 ve 2.1.4 Ayrıntılar için bu noktalar üzerinde) düşünülmelidir.
      6. Bir görüntü yakalamak. Yükseklik kalibrasyon hedefinin bir satır boyunca tutarlı yanı sıra yatay konum kalibrasyon hedef sütunu boyunca tutarlı olduğundan emin olarak düzey PIV kamera olduğunu doğrulayın. İndirilmelidir görüntü bozulmalarını miktarını değerlendirmek için kalibrasyon işaretleri her köşesinde (piksel cinsinden) görüntünün boyutunu denetleyin. Her birinde dört köşe kalibrasyon işaretlerinin boyut farkı sıfır en ideali; 1'den fazla piksel farklı değil ama.
    3. PIV izleyiciler akışı için ekleyin.
      1. O vardır yansıtmaya batmaz (sıvı olarak benzer yoğunluk), kimyasal olarak inert, uygun boyutu ve şekli (küresel ve akışını takip etmek kadar küçük) uygun tarayıcıları seçin ve sıvı12,13 göre yüksek bir dizin bir kırılma var. .
        Not: sıvı su nerede sunulan durumda çalışmada biz içi boş cam küreler 1.1 g/cc yoğunluğu ve ortalama çapı 10 mikron ile kullandık.
      2. PIV izleyiciler akışına tanıtmak ve tesisin çalıştırın (kılavuz salınım) kadar onlar de karışık. Artımlı olarak izleyiciler tanıtmak ve görüntü kalitesi ve içindeki izleyicileri yoğunluk düzeyini değerlendirin.
        Not: İzleyici gri düzeyi yoğunluğu ve arka plan yoğunluğu arasında büyük bir ayrılık en uygunudur.
        1. Üzerine lazer görüntü ücretsiz/sürekli modunda toplama kısıtlayarak değerlendirin. Görüntü izleyiciler konsantrasyon değil benekli4,14yoğun olması gerekir. Civarında olması önerisi olarak konsantrasyon düzeyini, seçerken istenen korelasyon penceresinin boyutunu göz önünde 8-10 net parçacık çiftler halinde PIV görüntü çiftleri çapraz korelasyon analizi4 için (bkz. Adım 2.1.1).
    4. PIV parametreleri ayarlayın. PIV parametreleri (Bu lazer çift-darbe tekrarlama oranı ile aynı) PIV kamera çerçeve oranı, görüntü çiftleri (ardışık (dual) lazer bakliyat arasında zamanlamaYani ) ve görüntü çiftleri sayısını toplamak için arasındaki zamanlama oluşur. Bu ayarları arıtma adım 1.1.5 sonuçlarından Dergisi'nin sonra gerekli olabilir.
      1. PIV kamera ve lazer (kare hızı) zamanlamaları ayarla. Bunlar zaman çözünürlüğü örneklenen hız vektör haritaları belirlemek ve olarak olmalıdır (sınırlama PIV fotoğraf makinesi, lazer veya sabit disk alanı) olabildiğince yüksek yukarı yarım en küçük zaman ölçeği akışı için.
      2. Ardışık PIV görüntüler (Örneğin, bir PIV görüntü çift) arasında zamanlama ayarlayın.
        1. Ortalama akış hızı tesis ve (bkz: 2.1.1) sorgulama pencerelerin boyutunu temel alan ardışık PIV görüntüler arasında zamanlama ayarlayın. Yaklaşık 1/4-1/2 yerinden izleyiciler var sorgulama pencere boyutu zaman içinde arka arkaya görüntüler arasında geçen süre. Ardışık görüntüler arasındaki zaman da iki lazer bakliyat arasında zamanlama ayarlar.
        2. İlk darbe PIV kameranın çekim açtıktan sonra kısa bir süre ateş önceden tanımlayın. Bir çapraz korelasyon PIV kamera kullanıyorsanız, PIV kamera görüntü tampon belleğinde saklar ve deklanşöre tekrar yeniden açar.
        3. Burada zaman kurulumu temel alınarak ikinci lazer darbe ateş. Bir kez ikinci darbe yangınlar, kameranın çekim hızı tekrar, çerçeve kapmak (veya üstünde-tahta PIV kamera bellek) her iki fotoğraf gönderme kapanacak.
        4. İlk darbe arasında zaman bu görüntü çiftinin ilk görüntü edinimi tetikler ve sonraki görüntü çiftinin ilk görüntü edinimi PIV kamera çerçeve tarafından tetikleyen ilk darbe oranı (bkz. 1.1.4.1) belirler.
      3. Toplamak için görüntü çiftleri sayısını ayarlayın. Toplamak için görüntü çiftleri sayısını hangi deneysel kurulum üzerinde bağlıdır ama genellikle görüntü çiftleri binlerce yüzlerce aralığında istatistiksel akış özellikleri, yakınsama emin olmak için seçili olmalıdır.
    5. PIV Kur sınayın.
      1. Dış tetik modu için her iki lazer mezartaşı için lazer ayarlayın ve lazer gücü arttır. Tamamen odayı karartmak.
      2. Birkaç saniye için veri toplama eşitlenmiş sürekli modunda başlatın.
      3. Veri toplama işlevini durdurun.
      4. Correlate görüntü çiftleri (bkz: 2.1.1) toplanan.
        1. Eğer sinyal-gürültü oranı geçen iyi vektörel çizimler yüzdesi (oranı yüksek çapraz korelasyon tepe ikinci en yüksek çapraz korelasyon tepe – 2.1.1 görmek) talebiyle sorgulama windows içinde olan üst % 90 aralığı veya ortalama izleyici değil değil yaklaşık 0,25-0,5 sorgulama pencere boyutu yineleyin ve elde edilir kadar 1.1 bölümündeki adımları doğru uygulanması doğrulayın. Bu değerler elde edilir, tesisin (stop kılavuz salınım) durdurmak.
  2. 2D yüksek hızda parçacık izleme kurulum
    1. Tek renkli LED LINE lambasının getirin.
      1. Öyle ki bu soruşturma (Örneğin, tortu parçacıklar) altında parçacık ile büyük aydınlatır LED LINE lambasının yoğunluğu (dizin of kırılma parçacık sıvı ile ilgili olarak büyük fark) backscattered seçin. Sürekli olarak veya PT kamerayla senkronize edilebilir bir oranda aydınlatmak gerekir.
      2. LINE lambasının ideal PIV hafif levha kalınlığı eşleştirmek için ama herhangi bir belirsizlik uçak parçacık hareket nedeniyle azaltmak için PIV hafif levha kalınlığı fazla 10 kat daha kalın olmaması için kalınlığı en aza indirmek.
      3. Maç veya PIV FOV kapsayacak LED LINE lambasının genişliğini boyutu. Böylece hiçbir sorunları (Örneğin, PIV hafif levha yan) ve alttan LED ışık tıkanıklık lazer tarafından üretilen ışık sayfaya dikey LED monte. Bkz: şekil 1.
      4. Öyle ki PIV hafif levha kalınlığı LED çizgi ışık kalınlığı içinde ortalanır LED LINE lambasının hizalayın. Sadece bu uyum elde etmek için LED ışığı konumlandırma ayarlayın. Hareket PIV ışık sayfasının 1.1 bölümündeki adımları tekrar gerektirir.
    2. Getirin ve yüksek hızlı PT kameranın ön kalibrasyon gerçekleştirmek.
      1. PT kamera için bir lens takmak, PT kamera ücretsiz/sürekli/Live modda açmak ve kaba PT kamera odaklama. Gerekirse, PT kamera görüntüleme sensörü tarafından alınmak üzere yeterli ışık sağlamak için PT kamera f-stop belirleyin; Bu f-noktası ayarı Oda beyaz ışık LED tabanlı aydınlatma karşı kullanırken farklı olabilir. Seçim lens ve kamera ile ışık LED çizgi arasındaki uzaklık PT kameranın görüntü fiziksel boyutunu belirler. İdeal olarak, PT kamera FOV daha küçük (veya benzer)-ecek var olmak LED ile aydınlatılmış alanının boyutu.
      2. Yüksek hızlı kamera LINE lambasının dik olduğundan emin olun ve kaba ilgi içinde PT kameranın FOV ve PIV FOV dahil bölgesidir yüksekliği ayarlayın.
      3. PT kameranın alt kısmındaki akış olanağı ile ilgili olarak (veya dikey hızları yerçekimi ivmesi ile hizalı olması istenirse zemin açısından) düzey. Bu iyice kontrol edilmelidir böylece PT kamera ışık, satırı ile aydınlatılmış uçak tam dik olduğunu önem taşımaktadır.
      4. PT kamerayı kapattığınızda, hattı ışıkları ve LINE lambasının Merkezi ile uyumlu bir kalibrasyon hedefi yerleştirin, sonra hafif hattan dönün.
      5. PT kamera yeniden açın ve Kalibrasyon hedefi üzerindeki odağını rafine. Görüntünün boyutunu bölgenin ilgi gözlemlemek ve PIV FOV dahil olmak için yeterli olana daha objektif ve mesafe rafine.
      6. Öyle ki yüksek hızlı PT kamera FOV PIV FOV büyük objektif ve mesafe seçin. Bu düzenleme PIV kamera ve yüksek hızlı PT kamera fiziksel olarak birbirlerine engellemeyin olduğunu emin olmak için gereklidir.
      7. Dikey PT ve PIV kameralar düzenleyin (yığın) veya diğer her tarafına uzaklığını. Yüksek hızlı PT FOV ve PIV FOV bir köşesinde hizalamak uygun olabilir. PT kameranın piksel çözünürlüğü ne kadar iyi bölge alanı içinde çözülebilir belirleyecektir; Böylece, düşünülmelidir. Dönüştürme faktörünü fiziksel birimleri ve piksel arasında bir piksel kaplı fiziksel uzaklığını belirler. Parçacıklar yaklaşık 3-10 piksel arka arkaya görüntüler arasında yerinden ve bu yer değiştirme çok büyük (ya da küçük) ise FOV çok küçük (ya da çok büyük) veya piksel sayısı çok büyük (ya da çok küçük) olduğu için o zaman parçacıkları ideal bir yerinden değil görüntüleri (Ayrıca bakınız 1.2.3.2) arasındaki piksel sayısı.
      8. Soruşturma için seçen.
        1. Faiz izleyiciler tohum PIV çok daha büyük parçacıkların yeterince incelenen parçacıklar ve PIV izleyiciler arasında ayırmak için kullanın. Biz PIV izleyiciler yaklaşık 5 kat daha büyük partiküller ile başarılı olmuştur ve bu alt limit düşünün ama belgili tanımlık limit üstünde belgili tanımlık parçacık Kırılma Endeksi ve ışık kaynakları bağlı olabilir. İncelenen parçacık çevresinde kapsayacak 4-5 piksel yüksek hızlı kamera görüntü alanında. Bu nedenle, incelenen parçacıklar boyutunu PIV görüntüleri daha yüksek hızlı görüntü için daha az piksel çözünürlük için izin verebilirsiniz.
        2. Adımları 1.2.2.1-1.2.2.5 Bu adım ulaşmak için gerektiği kadar yineleyin.
      9. Kalibrasyon hedefinin bir görüntü elde etmek. PT kamera yükseklik kalibrasyon hedefinin bir satır boyunca tutarlı olduğunu ve tutarlı kalibrasyon hedef sütunu boyunca yatay konumdur sağlayarak seviyesidir onaylayın. Ayrıca indirilmelidir görüntü bozulmalarını miktarını değerlendirmek için görüntünün her köşesini kalibrasyon işaretleyicilerini boyutunu kontrol (1'den fazla piksel farklı değil).
    3. Yüksek hızlı kamera parametrelerini ayarlayın. (Bu durumda da çekim hızı ayar) PT kamera, PT kamera çözünürlüğü (tam kare veya kare hızını artırmak veya satın alma süresini uzatmak için piksel binning) ve görüntü sayısını kare hızı yüksek hızlı kamera parametrelerini oluşur toplanan.
      1. Olmak için görüntü sayısını ayarla (Örneğin, edinme sürenin uzunluğunu) toplanan. Sayı-in imge toplanır ölçülen parçacık yörüngeleri sayısını etkiler — satın alma uzun, ölçülebilir daha fazla yörüngeleri.
      2. Kare hızı (ve çekim hızı) ve yüksek hızlı PT kameranın çözünürlüğü.
        1. Aynı ya da çoklu PIV kare hızı, yüksek hızlı resim alma hızı ayarı yapmayın. Parçacık akışı tahmini hızı temel kare hızı ayarlayın. Parçacıklar parçacık pozisyonlar iki ardışık görüntülerde çakışan örnekleri önlemek için daha--dan 1 veya 2 piksel yerinden; Ancak, büyük bir boşluk (> 10 piksel) parçacık yörünge kaybı verimli ardışık görüntülerde aynı parçacık belirlenmesinde daha az güven neden olur (2.2.4 bakın). Parçacık talebiyle bu aralıktaki (3-10 piksel) elde etmek için PT kamera çözünürlük ve kare hızına ayarlayın.
    4. Yüksek hızlı kamera ayarları sınayın.
      1. Tahrik LED hattı ışık ve aksi halde odayı karartmak.
      2. Tesisi (kılavuz salınan Başlat) çalıştırın.
      3. Parçacıklar akışına tanıtmak ve yüksek hızlı fotoğraf makinesinin FOV parçacıklar göründükten sonra birkaç kare yakalamak. Ardışık kareyi yerleşimi ve ardışık kareyi parçacıklar seçkin değerlendirmek.
        1. Yüksek hızlı fotoğraf makinesinin FOV parçacıklar Giriº yeterince uzak FOV oluştuğunu giriş etkileri yok denecek kadar azdır, parçacık yoğunluğu içinde parçacıkların örtüşme sık örnekleri değildir seyrek kontrol yüksek hızlı görüntü FOV ve parçacık hareket öncelikle göz FOV/PT kamera görüntü geçmiş kameradaki tarafından parçacıklar izlenebilir olması yansıma düzlemde olduğunu.
        2. Daha sonra bu sonuçları elde değil ettiyseniz, 1.2 elde edilir kadar yineleyin. Bir kez elde, tesisin (stop kılavuz salınım) durdurmak.
  3. Kombine son kalibrasyon
    1. Kalibrasyon hedefi PIV ve PT kamera FOVs ve PIV ve LED ışık sayfaları içinde konumlandırın. Kalibrasyon hedef yüksek hızlı PT kamera ve PIV kamera tarafından görüntülenebilir olmalıdır. Her ikisi fotoğraf makinesi odak içinde olduğundan emin olun. Bir odakta değilse, adımları 1.1 ve 1.2 PIV kamera ve yüksek hızlı kamera için sırasıyla tekrarlanması gerekiyor.
    2. En az bir benzersiz mark yüksek hızlı kamera FOV ve PIV kamera FOV tarafından görüntülenebilir kalibrasyon hedefi üzerinde bulunduğundan emin olun. Ölçmek ve görüntüler arasında kayma kayıt amacıyla fiziksel alanında benzersiz bu işareti konumu belirtmek.
    3. Yüksek hızlı kamera yakalama ve Kalibrasyon hedefinin bir görüntü yüksek hızlı PT kamera tarafından kaydederek kalibre edin. PIV kamera aynı şekilde kalibre.
    4. Kalibrasyon hedefini sıvı kaldırmak.
  4. Veri toplama
    1. Tesisin çalışması (kılavuz salınım) kararlı duruma (~ 20 dk) ulaşıncaya kadar.
    2. Aydınlatma koşulları Oda koyulaşması ve LED ışık dönüm ayarlayın. Parçacıklar sıvı ekleyin.
    3. İlk parçacıklar (live modda) yüksek hızlı PT kamerada FOV görüntülendiğinde zaman uyumlu olarak resim alma her iki sistem için başlatın.
    4. Yüksek hızlı PT kamera için RAM yüksek hızlı görüntü indirmek ve PIV kamera tarafından alınan görüntüleri kaydedebilirsiniz.
    5. Tesisin durdurmak (kılavuz salınımlarını durdurmak).

2. görüntü analizi

Not: Sitemizde çok sayıda yazılım paketleri görüntü analizi – PT ve PIV gerçekleştirmek için ticari ve freeware. PIV analiz için ücretsiz kodları OpenPIV (http://www.openpiv.net/) ve MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html) vardır. Ticari şirketler de PIV analiz yazılımı satmak. PT analiz için mevcut çok sayıda parçacık izleme kodları 3D ve 2D gibi Parçacık İzleyicisi'ni (https://omictools.com/particle-tracker-tool); çeşitli yazılım platformları tam listesini burada bulabilirsiniz: https://omictools.com/particle-tracking-category veya http://tacaswell.github.io/tracking/html/. En analiz paketleri, Örneğin, MATLAB, nispeten kolay uygulamak kendi izleme kodu araçlar içinde inşa etmişlerdir. Bu çalışmaOpenPIViçinde sunulan sonuçlar için TSI Insightve MATLAB özel izleme kodları olarak yazılmış kullanılmıştır.

  1. PIV görüntüleri analiz
    1. Sorgulama windows üzerinde ortalama akım hızı her pencerede çapraz birleştiriliyor iki ardışık PIV görüntü tarafından (Yani, PIV görüntü çifti) hesaplanır (örn., 64 x 64 piksel%2 50 örtüşme ile) oluşan bir kılavuz her görüntü bölün PIV Kur, bölümü 1.1.4.2 tartışıldı.
      Not: Her penceresinde en yüksek korelasyon ve pencerenin ortasına arasındaki mesafe o pencerede ortalama izleyici deplasman tanımlar. Bir kez kalibre, zaman (PIV görüntü çift - bkz: adım 1.1.4.2) ardışık PIV görüntüler arasında bölünür bu deplasman tahminleri her yerde4hızda iki uçak-bileşenlerinin verir. Topluca, buna olarak hız vektör harita denir. Bu mesafenin yarısı gibi hesaplanan hız PIV analiz tarafından üretilen akışı alanı çözünürlük sorgu penceresinin boyutunu belirler vektör aralığı. Bu aralığı ile birlikte fiziksel birim dönüştürme faktörüyle piksele ölçülen akışı alanı çözünürlük ayarlar. Ayrıca, az sayıda hatalı vektörel çizimler (bkz: 2.1.2) elde etmek için izleyiciler yeterli sayıda her penceresinde (en az 8-10 izleyiciler) mevcut olmalıdır ve onlar gerekir değil yerinden daha yaklaşık ¼ ½ pencere boyutu.
    2. Sahte sonuçları hız vektörel haritalar kaldırmak için çapraz korelasyon filtre uygulamak.
      1. Sinyal-gürültü (SNR) filtre uygulayın. Bir oranı 1.5 ve üstü gerektiren genellikle kullanılır (Bu sayı temel alınarak belirli deneysel koşullar değişebilir).
        1. İkisinden biri olmak için SNR ilk ve ikinci arasındaki oran ayarla Sorgu penceresinde veya belirli sorgu penceresi üzerinde ilk ve ortalama korelasyon arasındaki oranı en yüksek korelasyon Zirvesi. SNR oranı her kümesi deneyler için en iyi duruma getirme. Bu SNR onay başarısız vektörel çizimler % 10 geçmemelidir.
      2. Filtre (%5 adımlar ve 2.1.2.2 2.1.2.3 arasında geçmeyen) hatalı vektörel çizimler kalan her bireysel hız vektör hız harita demek artı ya da eksi üç standart sapmalarının harita hızları ile karşılaştırır ve ortadan kaldıran bir genel süzgeç kullanma hızları bu aralık dışında.
      3. Vektörel çizimler (%5 adımlar ve 2.1.2.2 2.1.2.3 arasında geçmeyen) her bireysel hız vektörel hızı çevreleyen bir mahalle ortalama hızı karşılaştırır yerel bir filtre kullanarak Vektörler, genellikle 5 x 5 boyutunda hatalı kalan filtre.
        Not: Medyan ve mahalle boyutunu belirlemek kullanımı belirli deneysel koşullarına bağlı olarak değişebilir.
    3. Adımla 2.1.2, çevredeki mahalle Vektörler, bilgileri kullanarak enterpolasyonlu vektörel çizimler (veya mahalle medyan) bulunan hatalı vektörel çizimler genellikle 5 x 5 boyutunu değiştirin.
    4. Mesafe pixel dönüşüm oranı belirler. 1.3.3. adımda görüntüsü kalibrasyon hedefi üzerinde işaretleri arasındaki uzaklığı kullanarak belirli bir mesafe için kaç piksel çevirmek inceleyin.
    5. Kalibre vektörel çizimler. Adımları 2.1.1-2.1.3 fiziksel birimlerine bu dönüştürme faktörünü adım 2.1.4 ve 1.1.4.2 adımda ayarla görüntü çiftleri arasındaki zaman kullanarak hesaplanan vektörel çizimler dönüştürün; piksel cinsinden talebiyle hızları fiziksel birim dönüştürme.
  2. Yüksek hızlı görüntü analiz
    1. Herhangi bir çerçeve içinde akışını PIV lazer aydınlatıcı oldu yüksek hızlı görüntü saat serisi kaldırın.
      1. Alınan her çerçevenin yoğunluk değerleri toplamı. Hangi PIV lazer yanıp çerçeveler çok PIV lazer görüntüde etkin olmayanlar daha büyük bir toplam yoğunluk var. Bir eşiğe göre Değiştir toplanan yoğunluğu bağlı olarak, herhangi bir görüntü eşik daha büyük bir toplam yoğunluk var zaman serisi kaldırın. Rehberlik çerçeve bu oluştuğu miktarını en aza indirmek için 1.2.3.2 bölümüne bakın.
    2. Kalan gri tonlamalı görüntüler bir eşik kullanarak ikili görüntülere dönüştürmek. Bu durumda, beyaz ve siyah arka plan parçacıklar dönüştürür eşik belirlemek için Otsu'nın yöntemini kullanın.
    3. Her görüntü için BLOB çözümlemesi gerçekleştirin.
      1. Siyah beyaz resim bundan sonra nesneler olarak anılacaktır - bağlantı bölgelerinde tanımlayın. Genellikle, bağlantı hızına 8 piksel kullanılır.
      2. (Yani, nesne tüketir görüntüde piksel sayısı) alanında çok daha küçük olan herhangi bir nesneleri kaldırmak tipik parçacık boyutunu piksel olarak genellikle çevresinde 3 piksel görüntü daha.
    4. Parçacık yörüngeler hesaplayabilirsiniz.
      1. İlk Resimdeki tüm (kalan) nesnelerin centroid tanımlamak.
      2. Algılanan her nesne için önceki resimdeki centroid yakın bir bölgede arama yaparak sonraki görüntüyü aynı nesne için arama. Yalnýzca bir parçacık/nesne arama penceresi içinde bulunursa, yörünge devam etmek ve bu görüntü centroid konumunu kaydetmek; Aksi takdirde, yörünge sonlandırın.
        Not: Çok büyük bir arama alanı neden olur sonraki resim parçacık yanlış tanımlama arama alanı gibi önyargı sonuçlarda neden olmadan mümkün olduğunca kısıtlı olması gerekir. Sonra nesne konumu sonraki çerçeve içinde sık sık arama penceresinin azami menzili ise, arama pencere yeterince büyük değil.
      3. Nesne artık sonraki görüntünün içinde bulunabilir kadar 2.2.4.2 tekrarlayın. Bu durumda, yörünge kabul edilir sonlandırıldı.
        Not: parçacık çoğunluğu izliyorsa sürekli olarak kısa (Örneğin, daha az 5 kare), o zaman bu sonuç önemli üç boyutlu hareket olduğunu ve bu yöntem uygun olmadığını gösterebilir. Pratik bir kural olarak, parçacık parça en az ¼ FOV14izleme parçacık olmalıdır; Ama zorunluluk belirli parça uzunlukları uygulama ile değişebilir.
      4. Adımları ikinci çerçevenin çerçeve 1 değil zaten izleniyor herhangi bir nesne için 2.2.4.1-2.2.4.3 başlayarak tekrarlayın. Bu işlemi tüm olası başlangıç çerçeveleri için yineleyin. Sonuç parçacık yörüngeleri deneme boyunca bir kütüphane olacak.

3. analiz

  1. Parçacık hızları ve ivmeler PT için kullanılan yüksek hızlı görüntüleri elde edilen pozisyon yörüngeleri üzerinden hesaplar.
    1. Parçacık yörüngeleri hızları yarıçapının hesaplamak için (Adım 1.2.3.2 çerçeve oranı kümesinde bağlı olarak) 2.2 içinde derlenmiş zaman ayırmak. Bu zaman farklılaşma tahminleri Lagrangian hız birimi saat başına piksel olarak parçacıkların sonuçlanır.
      Not: Bu adımı yalnızca hız bilgi parçacıkların istenirse gerçekleştirilmesi gerekir.
    2. Hızları piksel başına birim süre mesafe birim zamanda ücret hızları dönüştürerek kalibre. 1.3.3. adımda görüntüsü kalibrasyon hedefi üzerinde işaretleri arasındaki mesafe inceleyerek dönüştürme faktörü (piksel başına uzaklık) elde edilebilir.
  2. Reynolds ayrışma çalkantılı miktarlarını hesaplamak için PIV vektör haritalar üzerinde gerçekleştirin.
    1. Topluluğu anlamına hesaplamak için 2.1 adımından elde PIV vektör haritaları her konumda toplanan tüm PIV hız vektörel haritalar üzerinde.
    2. Reynolds ayrışma 3.2.1 anlık hızları çalkantılı hız dalgalanmaları zaman dizi elde etmek için her harita üzerinden hesaplanan bu ortalama değerler çıkararak gerçekleştirin.
    3. İlgi, örneğin, çalkantılı hızı-ortalama-karekök (RMS) istatistikleri hesaplamak. Alternatif olarak, bir tam parçacık yerlerde yörüngeleri içinde çalkantılı dalgalanmaları inceleyin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deneysel kurulumunun şematik Resim 1' de gösterilen. Rakam ışık sayfaları (LED ve lazer) düzenlenmesi, çakışmayı çubuk ya da FOVs ve FOVs salınan kılavuz ve tank duvarlar göreli konumunu gösterir. Türbülans ve parçacıklar Protokolü bölümünde açıklandığı gibi aynı anda ölçülür. Şekil 2 anlık hız ve vorticity ile birlikte örnek parçacık yörüngeleri ölçümleri örnek sonuçlarını gösterir. PIV incelemenin sonuçlarını çalkantılı dalgala...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada anlatılan yöntem nispeten ucuz ve aynı anda parçacık yörüngeler ve türbülans akış etkisi parçacık kinematik incelemek için ölçmek için basit bir yol sağlar. Bu akışı veya güçlü üç boyutlu parçacık hareketleri bu teknik için uygun olmadığını söylemeyi dikkat çekicidir. Uçak hareket izleme 2D ve PIV analiz hataları17 neden olur ve indirilmelidir. Ayrıca, yöntem (sırasına parçacıklar PT resim başına onlarca) nispeten düşük olarak izlenen parçacıklar konsantrasyon gerektirir. Bu kısıtlamayı ayn...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu eser bölümlerini II-VI Vakfı ve kıyı Carolina Professional geliştirme Grant tarafından desteklendi. Ayrıca Corrine Jacobs, Marek Jendrassak ve William tüccar için deneysel kurulum yardımı kabul etmek istiyoruz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Optik lenslerCVI LAZER OPTIKY2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UVDiğer optik şirketleri kabul edilebilir. PIV ışık tabakası oluşturmak için küresel ve döngüsel lensler.
NikonNikkor 105mm f/2Diçin kamera lensiDiğer kamera lensi şirketleri kabul edilebilir. PIV görüntüleme için kamera merceği.
NikonNikkor 50mm f/1.8Diçin kamera lensiDiğer kamera lensi şirketleri kabul edilebilir. Yüksek hızlı görüntüleme için kamera lensi.
Çift kafalı darbeli lazerQuantelEverGreen: 532nm, 70mJ@15HzDiğer lazer şirketleri kabul edilebilir. PIV için Çift Kafalı Darbeli Lazer: Nd: YAG
LED çizgi ışığıGardasoft Vision, Ltd.VLX2 LED Hat Aydınlatması - Yeşil - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04Diğer şirketler kabul edilebilir. LED için hat ışığı.
PIV tohumlama parçacıkları/izleyicileriPotters Industries KÜRESELİçi Boş Cam Küreler: 11 mm ortalama çapDiğer şirketler kabul edilebilir. PIV tohumlama parçacıkları
CCD çapraz korelasyon kamerasıTSI, Inc.POWERVIEW 11M: CCD, Çift pozlama, 4008x2672 piksel @ 4.2 Hz, 12bit dinamik aralık ileDiğer şirketler kabul edilebilir. PIV görüntüleme için çift pozlama, CCD kamera.
Yüksek hızlı kameraPhotronFASTCAM SA3; Model 60K: 1024x1024 piksel @ 1kHzDiğer şirketler kabul edilebilir. Yüksek hızlı görüntüleme için CMOS kamera.
SenkronizatörTSI, Inc.LASERPULSE SENKRONİZATÖR 610036Diğer şirketler kabul edilebilir. PIV kamera ve lazerin alımını senkronize edin.
Kalibrasyon hedefiTSI, Inc.Diğer şirketler kabul edilebilir. Görüntü kalibrasyonu için hassas hedef.
PIV Yüksek hızlı

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Maxey, M. R. The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields. Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).
  2. Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 759, R3(2014).
  3. Ha, H. K., Maa, J. P. Y. Effects of suspended sediment concentration and turbulence on settling velocity of cohesive sediment. Geosciences Journal. 14 (2), 163-171 (2010).
  4. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (2007).
  5. Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. 76, e50559(2013).
  6. Yang, T. S., Shy, S. S. The settling velocity of heavy particles in an aqueous near-isotropic turbulence. Physics of Fluids. 15 (4), 868-880 (2003).
  7. Jacobs, C. N., Merchant, W., Jendrassak, M., Limpasuvan, V., Gurka, R., Hackett, E. E. Flow scales of influence on the settling velocities of particles with varying characteristics. PLoS One. 11 (8), 0159645(2016).
  8. Murray, S. P. Settling velocities and vertical diffusion of particles in turbulent water. Journal of Geophysical Research. 75 (9), 1647-1654 (1970).
  9. Nielsen, P. Turbulence effects on the settling of suspended particles. Journal of Sedimentary Research. 63 (5), 835-838 (1993).
  10. Kawanisi, K., Shiozaki, R. Turbulent effects on the settling velocity of suspended sediment. Journal of Hydraulic Engineering. 134 (2), 261-266 (2008).
  11. Maxey, M. R., Corrsin, S. Gravitational settling of aerosol particles in randomly oriented cellular flow fields. Journal of the Atmospheric Sciences. 43, 1112-1134 (1986).
  12. Melling, A. Tracer particles and seeding for particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1406-1416 (1997).
  13. Hadad, T., Gurka, R. Effects of particle size, concentration and surface coating on turbulent flow properties obtained using PIV/PTV. Experimental Thermal and Fluid Science. 45, 203-212 (2013).
  14. Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
  15. Shy, S. S., Tang, C. Y., Fann, S. Y. A nearly isotropic turbulence generated by a pair of vibrating grids. Experimental Thermal and Fluid Science. 14 (3), 251-262 (1997).
  16. Dietrich, W. E. Settling velocity of natural particles. Water Resources Research. 18 (6), 1615-1626 (1982).
  17. Huang, H., Dabiri, D., Gharib, M. On errors of digital particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427(1997).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Par ac k G r nt leme VelosimetrisiPar ac k TakibiT rb lans l mAk Kinemati iY ksek H zl KameraLED Hat IPIV Ekim zleyicileriSediman Par ac k kmesiE zamanl Optik l mAk kan Par ac k Etkile imi

İlgili makaleler