Oryantasyon ve dönme hızının ölçülmesi yöntemleri türbülansına tanecikler 3D basılmış

Bu deneyin genel amacı, çok çeşitli şekillerde partiküller üretmek için 3D yazıcıyı kullanmak ve bu partiküllerin türbülanslı bir akış içindeki hareketlerini ölçmektir. Bu yöntem, partiküllerin türbülanslı akışkan akışlarında nasıl döndüğü ve hizalandığı gibi akışkanlar dinamiğindeki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Yöntemin temel avantajı, önceki yöntemlerle elde edilemeyen, karmaşık şekilli partiküllerin yönelimlerinin hassas ve zamana bağlı ölçümlerine olanak tanımasıdır.

Bu yöntem, türbülans içindeki disklerin ve kürelerin hareketine dair içgörü sağlamıştır ve birçok farklı durumda karmaşık şekilli partiküllerin dinamiklerini ölçmek için kullanılabilir. Genel olarak, bu yöntemde yeni olan kişiler, 3D kamera kalibrasyonu ve yön bulma algoritmasının kullanılan spesifik partiküllere uyarlanması konusunda zorluk yaşayacaklardır. Prosedürün gösterilmesine, orijinal artı ve jak deneylerini gerçekleştiren Guy Marcus yardımcı olacaktır.

Baskı için parçacık modellerini oluşturmak üzere bilgisayar destekli tasarım yazılımı kullanarak başlayın. AutoCAD ile bir triad oluşturmak için önce, 0.3 milimetre çapında bir daire çizmek için daire komutunu kullanın. Ardından, üç milimetre uzunluğunda bir silindir oluşturmak için ekstrüzyon komutunu kullanın.

Bu boyuttaki silindirler, partiküllerin yapı taşlarıdır. Şimdi döndürme (rotate) komutunu kullanın ve döndürme ekseni olarak X eksenini, döndürme açısı olarak ise 90 dereceyi seçin. Diğer silindirlerle çalışabilmek için çalışma alanını sağlayacak şekilde görünümü ayarlayın.

Ardından, triadın ikinci kolunu oluşturacak olan silindirin bir kopyasını oluşturun. Bu silindirin ucuna, dönme ekseni Z ekseni boyunca olacak şekilde rotate 3D komutunu uygulayın. Triad için silindiri 120 derece döndürün.

Döndürülen silindiri, üçlünün bir kolunu oluşturacak şekilde konumlandırın. Silindir uçlarının merkezleri üst üste gelmelidir. Üçüncü kolu da aynı şekilde hazırlayıp yerleştirin.

Ardından, hiçbir silindir dikey veya yatay eksenle aynı doğrultuda olmayacak şekilde nesneyi döndürün. Tüm kollar yerleştirildiğinde, hepsini seçin ve tek bir nesne haline getirmek için birleştirme (union) komutunu kullanın. Dosyayı 3D baskı için uygun bir formatta kaydedin.

Benzer adımları izleyerek deneyde kullanılacak diğer partikülleri oluşturun. Triad'a ek olarak; ortak bir merkeze sahip iki dikgen silindirden oluşan cross, ortak bir merkeze sahip üç karşılıklı dikgen silindirden oluşan jack ve silindirlerin ortak bir uca sahip olduğu ve birbirlerine 109.5 derece açıyla konumlandığı tetrad bulunmaktadır. Her bir partikül tipinden yüksek çözünürlük modunda yaklaşık 10.000 adet bastırın.

Basılı parçacıkları, nötr yüzerliğe sahip oldukları bir çözeltide saklamak için hazırlık yapın. Bunun için kalsiyum klorür çözeltisi ve nötr yüzerlik yoğunluğunda yaklaşık 1.600 litre su kullanın. Her bir parçacık türünü saklamak için çözeltiden yaklaşık bir litre alın.

Bir litre çözeltiyi tezgaha götürün ve partiküllerle çalışmaya başlayın. Bu deneyde kullanılan partiküller ticari olarak basılmıştır. Partiküller, destek malzemesi olarak kullanılan reçineye gömülü halde gelirler.

Büyük parçaları nazikçe küçük bölümlere ayırarak partikülleri serbest bırakın. Fazla reçinenin büyük bir kısmı çıkana kadar her bir bölümü manuel olarak masaj yaparak işleyin. Bu işlem, sonraki adımları kolaylaştıracaktır.

Parçacıkları daha fazla temizlemek için bir beherde kütlece %10'luk sodyum hidroksit çözeltisi hazırlayın. Ardından, reçineyi uzaklaştırmak için bazı parçacıkları ve bunların reçine kılıfından geri kalanları behere yerleştirin. Çözeltinin bulunduğu beheri bir ultrasonik banyoya taşıyın.

Parçacıkları başlangıçta bir saat boyunca ultrasonik banyoda tutun, ardından durulamadan sonra yarım saat daha bekletin. Parçacıkları geri kazanmak için, banyodaki sodyum hidroksit çözeltisini almak üzere ikinci bir beher ve bir filtre hazırlayın. Ultrasonik temizleme adımları tamamlandıktan sonra, beheri banyodan çıkarmak için eldiven kullanın ve içeriği filtre aracılığıyla ikinci behere boşaltın.

Parçacıkları, deformasyonu önlemek için içine daldırılacakları yoğunluk eşleşmiş çözeltiye taşımadan önce durulayın. Bunlar, reçinelerinden kurtarılmış, ultrasonik banyoda temizlenmiş ve artık yeşil lazer ışığı altında floresan yaymaları için boyanmaya hazır olan parçacıklardır. Parçacıkları boyamak için, su içerisinde bir litrelik Rhodamine-B boya çözeltisi kullanın ve bunu bir ısıtıcı tabla üzerine yerleştirin.

Boyayı, bu partikülün materyali için 80 °C'ye ısıtın. Küçük bir kabı, depolamadaki partiküllerle gevşekçe doldurun. Bu, yaklaşık 2.500 partikül olacaktır.

Partikülleri boya çözeltisine ekleyin ve daldırıldıkları süre boyunca sıcaklığı koruyun. Yaklaşık iki veya üç saat sonra, çözeltiyi ve partikülleri ısıdan uzaklaştırın. Partikülleri çözeltiden filtrelemek için bir süzgeç ve ayrı bir kap kullanın.

Isı nedeniyle yumuşak oldukları sırada onlara zarar vermemeye dikkat edin. Ardından, fazla boyayı uzaklaştırmak için partikülleri dikkatlice durulayın. İşlem tamamlandığında, deney için gerekli olana kadar onları nötral yüzdürücülük çözeltisinde saklayın.

Deney, akışın merkezindeki partikülleri kaydetmek için yerleştirilmiş kameraların bulunduğu bir tankta gerçekleştirilecektir. Bu şematik; sekizgen bir kesite sahip olan tank düzeneği, türbülanslı akış oluşturmak için kullanılan salınımlı ızgaralar, ölçüm hacmi ve kamera konumlarına genel bir bakış sunmaktadır. Oryantasyon ölçüm doğruluğu için en az dört kamera kullanın.

Her kamera, saniyede 450 kare hızında en az bir megapiksel çözünürlüğe sahip olmalı ve özel bir bilgisayara bağlanmalıdır. Kameraları, herhangi ikisi arasında geniş açılar olacak şekilde konumlandırın ve hepsinin istenen ölçüm hacmine odaklandığından emin olun. Optik bozulmayı en aza indirmek için, tanka kamera bakış yönüne dik olan görüntüleme pencereleri yerleştirilmiştir.

Ardından, tankın ölçüm hacmine bir görüntü kalibrasyon maskesi yerleştirin. Bu, kameralar tarafından toplanan deneysel verilerin analiz edilmesini sağlayacaktır. Deneysel koşulları simüle etmek için tankı dökme nötr kaldırma kuvveti çözeltisiyle doldurmaya başlayın.

Tank doldurulduğunda, maskeyi aydınlatacak ışıkları kurun. Ardından, kameralarla çalışmaya geri dönün. Her kamerayı maske üzerindeki aynı noktaya odaklayın, ardından kalibrasyon için görüntüleri edinin ve kaydedin.

Tankı boşalttıktan sonra, bir neodimyum itriyum alüminyum granat lazer yerleştirerek deneyi kurmaya devam edin. Lazer ışınının bir kısmını bir aynaya yönlendirmek için bir ışın ayırıcı düzenleyin. Işık, aynadan geçerek silindirik bir ışın oluşturan mercekler aracılığıyla tankın içine girer.

Tankın karşı tarafına, çıkan lazer ışığını kendi yolu boyunca geri yansıtacak bir ayna yerleştirin. Işın ayırıcının diğer çıkışını ve benzer bir ayna ve lens düzenini kullanarak, bu üst görünüm şemasında olduğu gibi, birinciye dik silindirik bir ışın oluşturun. Işınların çıktığı aynalar, daha üniform bir aydınlatma sağlanmasına yardımcı olur.

Ardından, gazı alınmış nötr kaldırmalı kalsiyum klorür çözeltisi ile doldurulmuş tankı kontrol edin. Devam etmeden önce, kameraların ve veri toplama yazılımının hazır olduğundan emin olun. Bu deney için hazırlanmış olan yaklaşık 10.000 tetradı tanka eklemeye hazırlanın.

Bunları tankın üst kısmındaki portun yakınına konumlandırın. Hazır olduğunuzda portu açın ve parçacıkları tanktaki suya ekleyin. Tüm parçacıklar eklendiğinde portu kapatın.

Ardından lazere geçin. Orada lazeri açın ve lazer açıklığını açın. Daha sonra, ızgarayı üç hertz hızında salınım yapacak şekilde başlatmak için ızgara kontrollerini kullanın.

Tank içerisinde, türbülansın tamamen gelişebilmesi için ızgarayı yaklaşık bir dakika boyunca salınım yaptırın. Bu noktada veri toplamaya başlayın ve yaklaşık bir milyon kare kaydedin. Çalışmanın sonunda veri toplamayı durdurun ve lazer açıklığını kapatın.

Tüm deneyler tamamlandıktan sonra, tank çıkışına gidin. Çözeltideki partikülleri temizlemek için oraya bir filtre yerleştirin ve tankı boşaltın. Toplanan partikülleri, daha sonra kullanmak üzere nötr kaldırma kuvvetli çözelti içinde saklayın.

Parçacık konumunu ve yönelimini belirlemek için kaydedilen görüntüler üzerinde yazılım kullanarak veri analizi gerçekleştirin. Yazılımda şu adımlar uygulanır: Dört kamera tarafından yakalanan bir parçacığa ait dört senkronize görüntüden başlayarak, üç boyutlu konumunu belirlemek için iki boyutlu bilgileri kullanın.

Kamera kalibrasyon parametrelerini kullanarak, aydınlatılmış parçacığın üç boyutlu sayısal modelini her bir kameraya yansıtın. Bu işlem, dört kameranın tamamında parçacıktan gelen ışık yoğunluğunun iki boyutlu bir modelini oluşturur. Ardından, dört kamerada görülenlerle en iyi şekilde eşleşen model yönelimini bulmak için doğrusal olmayan en küçük kareler uydurma rutini çalıştırın.

Modelin her bir kameraya yansıtılan görüntüsü ile gözlemlenen partikül arasındaki farkı en aza indirmek için dört kameradan gelen bilgileri birleştirin. Bu adımlar, tüm kameraların görüş alanında partiküllerin bulunduğu tüm kareler için uygulanacaktır. Bu işlem, bir tetradın konum ve yönelimindeki evrimdir.

Koruma önlemleri olmadığında gerçekleşebilen, tetrad kollarının yönelimindeki süreksiz değişime dikkat edin. Tetrad evriminin bu ikinci versiyonu, yazılımın her kare için Euler açılarının bir önceki kareye göre en küçük rotasyon olduğunu sağladığını göstermektedir. Konum ve yönelim bilgileri daha sonra kullanılmak üzere kaydedilir.

Bu, deneydeki bir tetradın tek bir kamera görüntüsüdür. İkinci görüntüde, üst üste bindirilmiş model, algoritma tarafından tespit edilen yönelimi göstermektedir. İki boyutlu yoğunluk modelinin basitliğine rağmen, yöntem parçacık yöneliminin doğru ölçümlerini sağlamaktadır.

Deneyde, her bir parçacığın tüm yörüngesi boyunca Euler açılarının gelişimini elde etmek için yönelim bulma algoritması kullanılır. Bu işlem, bir tetradın görüntüleme hacmi boyunca izlediği tüm yörüngenin yeniden yapılandırılmasıdır. Bu, parçacığın dört kameranın tamamı tarafından görüldüğü her bir kare için yönelimi ve üç boyutlu koordinatlarının birleştirilmesiyle gerçekleştirilir.

İz uzunluğu 229 karedir. Parçacığın ölçekli olarak çizilmediğine dikkat ediniz. Veriler aynı zamanda, ölçülen takla hızının olasılık yoğunluk fonksiyonunun belirlenmesine de olanak sağlar.

Kırmızı kareler çaprazlar için verilerdir. Mavi daireler ise krikolar için verilerdir. Düz çizgi, deneysel verilerle çok iyi eşleşen kürelerin sayısal simülasyon sonucunu temsil etmektedir.

Bu teknik bir kez kavrandığında, doğru şekilde uygulandığı takdirde üç günde tamamlanabilir. Bu prosedür uygulanırken, partiküllerin farklı yoğunluktaki çözeltilerde birkaç saat bekletilmesi önemlidir. Ayrıca, deney süresi boyunca kameraların düzgün şekilde hizalandığından, sabitlendiğinden ve senkronize edildiğinden emin olmak esastır.

Bu prosedürün ardından, 3D yazıcıyla üretilmiş partiküllerin çevredeki akıştaki tam hız gradyanı tensörüne nasıl yanıt verdiğini ölçmek için izleyici partikül takibi gibi diğer yöntemler kullanılabilir. Bu videoyu izledikten sonra, dört stereoskopik video görüntüsünü kullanarak türbülanslı akıştan hız gradyanı tensörü hakkında bilgi elde etmek için anizotropik partiküllerin nasıl kullanılacağı konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. Rhodamine-B boyası ve sodyum hidroksit ile çalışmanın tehlikeli olabileceğini ve bu prosedürü uygularken her zaman eldiven ve koruyucu gözlük gibi önlemlerin alınması gerektiğini unutmayın.