Türbülans Uygulamaları için üç boyutlu Parçacık Takip Akımları: Jet Akış Örneği

Bu deneyin amacı, türbülans uygulamaları için bir parçacık izleme hız ölçer sistemi kurmak ve optimize etmek ve bunu jet akışını incelemek için kullanmaktır. Bu yöntem, akışın Lagrangian tanımını kullanarak türbülans alanındaki temel soruları yanıtlamaya yardımcı olabilir. Bu tekniklerin temel avantajı, zaman ve uzayda büyük bir parçacık kümesini izleme yeteneğidir.

Bu yöntem bir türbülans ve Lagrange referans çerçevesi hakkında bilgi sağlayabilse de, hareket yakalama veya hareket izleme gibi diğer uygulamalara da uygulanabilir. Bu deney için kurulum, bir boru jetinin ara akış alanının incelenmesi içindir. Bu su dolu tankın içinde bir santimetre çapında bir jet oluşturmak için bir kanal vardır.

Bu şema, üç boyutlu parçacık izleme hızı ölçümü için ekipman eklenmeden önce kuruluma genel bir bakış sağlar. Parçacık izlemeye hazırlanmak için, bir çalışma bölgesini, sorgulama hacmini belirleyin. Bu deneyde, yüzleri daha büyük hacminkine paralel ve en yakın noktası kanalın ucundan 15 santimetre uzakta olan bir küptür.

Sorgulama hacmi seçildikten sonra, birincil aynayı konumlandırmakla başlayın. Ayna piramit şeklindedir ve deney tankının yan tarafı boyunca dikey bir montaj direğine monte edilmiştir. Sorgulama hacminin merkeziyle aynı hizaya getirmek için aynayı direk boyunca kaydırın ve ardından yerine sabitleyin.

Ardından, kamerayı birincil aynanın arkasına monte edin. Kamera görüntüsünün merkezini, birincil aynanın merkeziyle çakışacak şekilde ayarlayın. Şimdi, kamera ile bağlantısını kontrol etmek için bilgisayara geçin.

Kamera ve kayıt yazılımı arasındaki arayüzü ayarlayarak devam edin. Birincil aynanın ve çevresinin kamera görüntüsüyle başlayın. Kamera görünümünün genişliğini ve yüksekliğini yalnızca birincil aynayı kaplayacak şekilde ayarlamak için yazılımın ilgi alanı ayarını kullanın.

Bir sonraki adım, ikincil aynaları ayarlamak için tanka bir kalibrasyon hedefi yerleştirmektir. Bu hedef, tüm sorgulama hacmini kapsayacak şekilde özel olarak tasarlanmıştır. Hedef, kalibrasyon için bir milimetre çapında hedef noktalara sahiptir.

İlk olarak, hedefi desteklemek için tanka yüksekliği ayarlanabilir bir platform yerleştirin. Kalibrasyon hedefini platforma yerleştirin ve kameraya bakacak şekilde yönlendirin. Platformun yüksekliğini, kalibrasyon hedefinin merkezi ile kalibrasyon hacminin merkezi eşleşecek şekilde ayarlayın.

Dört görünüm ayırıcıyı tamamlayarak devam edin. Birincil aynanın konumunu, tam sorgulama sesini yakalayacak şekilde ayarlayın. İkincil aynalar, birincil aynanın her iki yanındaki dikey montaj direklerine monte edilir.

Her bir ikincil aynayı, birincil aynanın en yakın tarafından kamera görünümüyle kabaca hizalanacak şekilde monte edin. İkincil aynayı yerine sabitleyin. Son düzenleme, birincil aynaya göre geometrik olarak simetrik olmalıdır.

Bir lazer işaretçi kullanın ve görüntü yolunu görselleştirmek için sırayla bir aynaya yönlendirin. Görünümün tüm kalibrasyon hedefini kapsaması için ışın yolunu kılavuz olarak kullanarak ikincil aynada son ayarlamaları yapın. Görüntü yolunun görselleştirmesini tekrarlayın ve kalan ikincil aynaların her biri için ayarlamalar yapın.

Tüm aynalar ayarlandıktan sonra, kamera görüntüsünün alt görüntülerini izleyin. Bilgisayarda, görüntülerin kamera görüntüsünü gözlemleyin. Görünüm ayırıcıda, alt görüntü örtüşmesini araştırmak için ikincil aynalardan birini hareket ettirin.

Ayna hareket ettikçe yalnızca bir görünüm değişirse, ihmal edilebilir bir örtüşme vardır. Dört ayırıcı yerindeyken, kamerayı kapatın ve aydınlatma ile çalışmaya devam edin. Işık kaynaklarını yukarıdan doğrudan sorgulama hacmine bakacak şekilde yerleştirin.

Bu deneyde, ışık yoğunluğunu artırmak için bir büyüteç merceği doğrudan ışık kaynaklarının altına yerleştirilir. Işık kaynaklarını açın ve ışığın tüm sorgulama hacmine eşit olarak dağıldığını görsel olarak kontrol edin. Kamerayla çalışmaya geri dönerek kurulumu optimize etmeye başlayın.

Birincil aynadan gelen yansıma, ikincil aynaların dört görünümünde de eşit olarak odaklanana kadar lens odağını ayarlayın. Görüntü ayırıcıdan gelen görüntülerin simetrik olduğundan ve sorgulama hacmini gösterdiğinden emin olun. Kalibrasyon hedefindeki hem en yakın hem de en uzak noktayı yakalayabilmek için f-stop'u ayarlamak için devam edin.

Kamera, yalnızca sorgulama hacmindeki izleyici parçacıkları yakalayacaktır. Bu noktada, kayıt yazılımına dönün. İstediğiniz kare hızını ayarlayın.

Bu deney için 550 Hertz kullanılmıştır. Ardından, seçilen kare hızına göre ışık hassasiyetini en üst düzeye çıkarın. Şimdi, kalibrasyon hedefinin kalibrasyon görüntülerini almaya hazırlanın.

Aydınlatma için tanka doğrudan hedefin üzerine bir LED el feneri takın. Daha sonraki kalibrasyon adımları için dört görünüm ayırıcı aracılığıyla hedefin birkaç görüntüsünü yakalayın. Bittiğinde, aydınlatmayı ayarlamaya başlamak için kalibrasyon hedefini, destek standını ve ışığını çıkarın.

Aydınlatmayı optimize etmek için az miktarda tohumlama parçacığı hazırlayın. Su içeren küçük bir beher alın ve tohum parçacıklarını üzerine ekleyin. Parçacıkların yayılmasını bekleyin.

Parçacıklar 100 mikrometre gümüş kaplı içi boş seramik kürelerdir. Aydınlatma ve kamera ayarlarını optimize etmeye yardımcı olması için karışımı tanka dökün. Oda ışıkları kapalı ve ışık kaynakları açık olarak devam edin.

Bilgisayarda, birincil aynanın canlı kamera görüntüsünü izleyin ve görünümler arasındaki parçacık yoğunluğu farkını gözlemleyerek her görünümdeki aydınlatmayı kontrol edin. Bu deneydeki geometri, üstteki iki aynanın daha az ışık almasına neden olur. Kurulumda, tankın altındaki ışık kaynağının altına düz bir ayna ekleyerek bunu düzeltin.

Işık kaynakları altında bu ekleme, görünümdeki çeşitliliği azaltmaya yardımcı olur. Kamerada, kazanç ve siyah seviyelerini her biri yaklaşık sıfır ile 500 arasında ayarlayın. Amaç, parçacıklardan gelen ışık saçılımını daha iyi yakalamaktır.

Bu dizide, farklı kazanç ve siyah seviyeleri kullanan üç fotoğraf karşılaştırılır. Bu deneyde 300 kazanç ayarı ve 500 siyah ayarı kullanılmıştır. Işık kaynaklarını kapatın ve oda aydınlatmasını açın.

Bilgisayarda parçacık izleme hızı ölçümü için açık yazılım. Buradaki fikir, daha önce çekilmiş kalibrasyon görüntülerinden birini yüklemektir. Bu görüntüyü, farklı ikincil ayna görünümlerine karşılık gelen dört bağımsız alt görüntüye bölmek için yazılımı kullanın.

Bu alt görüntülerin her birini farklı bir dosyaya kaydedin. Her görüntü ayrı bir kameradan geliyormuş gibi kullanılacaktır. Koordinat verilerini ve birden fazla kamera için adımları kullanarak kalibrasyon adımlarına devam edin.

Velosimetri ışık kaynaklarını açarak veri toplamaya hazırlanın. Ardından, tohumlama parçacıklarını alın ve tanka ekleyin. Sistemde kararlı durum akışının gelişmesini bekleyin.

Oda ışıkları kapalıyken, jet akışının bu yavaşlatılmış videosunda olduğu gibi doğru parçacık tohumlama yoğunluğunu doğrulamak için kamera görünümünü izleyin. Memnun kaldığınızda, istediğiniz sayıda akış görüntüsü kaydedin. Veriler toplandıktan sonra, toplanan görüntüleri dört alt görüntüye bölerek ve saklayarak veri işlemeye başlayın.

Bu yapıldıktan sonra, açık PTV ekranı, üstte menü seçenekleri ve sağda farklı kamera görünümleri için bir ekran ile görünür. Menü öğelerinde başlat sekmesine gidin ve seçenekleri ortaya çıkarmak için tıklayın. Verilerdeki ilk ham görüntünün dört kamera görünümünü yüklemek için görüntüyü yeniden başlat'a tıklayın.

Fare imlecini çalıştırma dizinine getirin ve üzerine tıklayın. Oradan ana parametreleri tıklayın. Yeni pencerede genel sekmesine gidin.

Kamera sayısını girin, bu durumda dört. Diğer sekmelerin altına parametre girmeye devam edin. İşiniz bittiğinde, ön işlem menü öğesine tıklamak için fareyi hareket ettirin.

Orada yüksek geçiş filtresini tıklayın. Sonuç, dört görüntüdeki ışık saçılımını yoğunlaştırmaktır. Ayrıca ön işlem menü öğesinin altında, tespit edilen her parçacığın merkezini belirlemek için parçacık algılamayı bulun ve tıklayın.

Sonra tekrar ön işlem menü öğesinin altında, stereoskopik yazışmalar oluşturmak için yazışmalara tıklayın. Ardından, 3B konumlar menü öğesine geçin. Kalibrasyona dayalı olarak tespit edilen parçacıkların üç boyutlu konumunu belirlemek için altında 3D konumları seçin.

Toplanan tüm görüntü dizileri için ön işleme adımlarını tekrarlamak üzere dizi menü öğesi altında, ekran olmadan diziyi bulun ve tıklayın. Şimdi, izlenecek parçacıkları tanımlamak için kullanılacak parametreleri girin. İzleme menü öğesini seçerek devam edin.

Oradan, bitişik kareleri ilişkilendirmek için ekransız izlemeyi seçin. Ve 3D yeniden yapılandırılmış parçacıkları görselleştirmek için algılanan parçacıkları seçin. İzleme tamamlandığında, izleme menü öğesine gidin ve onu seçin.

Her bir kamera görünümünde yörüngeleri görselleştirmek için yörüngeleri göster'e tıklayın. Kamera görüntülerinin her biri artık tasvir edilen parçacık yörüngelerine sahiptir. Ek olarak, son işlem için bir veri dosyası oluşturulmuştur.

Bu, boru jet çapının 16 katı olan düzlemin etrafındaki ara alan bölgesinde üç temsili parçacık yörüngesinin bir örneğidir. Jet çekirdeğine olan mesafe küçük olduğunda, bu verilerin bir saniyelik zaman aralığında daha uzun yörüngeler gözlenir. Jet çekirdeğine olan mesafe arttıkça yörünge uzunluğu azalır.

Boru jet çapının üç katı olan izleyici parçacıklar kısa ve karmaşık yörüngeler sergiler. İşte aynı düzlemi geçen başarıyla yeniden yapılandırılmış parçacık yörüngelerinin tümü. Hızların dağılımı, jetin çıkış hızının sıfır ila %60'ı arasında değişir.

Düşük hızlar spektrumun mavi aralığındadır ve yüksek hızlar kırmızı aralıktadır. Analizler, jet çekirdeğine yakın parçacıkların daha yumuşak yörüngeler sergilediğini ortaya koymaktadır. Parçacık izleme, parçacık yörüngesi boyunca eğriliğin hesaplanmasına izin verir.

Bu, iki düzlem için ölçeklendirilmiş radyal mesafeye karşı boru jet çapının ortalama eğrilik çarpımının bir grafiğidir. Biri 16 ve diğeri 17 boru jet çapında. Her ikisi de monoton olarak artar, ancak boru çıkışından daha uzaktaki düzlem, jet çekirdeğinin dışında azaltılmış bir ortalama eğriliğe sahiptir.

Bu grafik, boru çıkışının ötesindeki uçağın 16 boru jet çapındaki jetlerin ortalama akış hızı dağılımı hakkında bilgi sağlar. Bir kez ustalaştıktan sonra, bu teknik, yazılımı kullanarak işlem süresi hariç, düzgün bir şekilde gerçekleştirilirse altı saat içinde yapılabilir. Bu prosedürü denerken, tek tip aydınlatmaya, doğru kamera ayarlarına ve yeterli miktarda tohumlama parçacığına sahip olmayı unutmamak önemlidir.

Bu videoyu izledikten sonra, görüntü ayırıcının nasıl kurulacağını, ışık kaynağının nasıl monte edileceğini, kamera parametrelerinin nasıl kontrol edileceğini ve PTV sisteminin nasıl optimize edileceğini iyi anlamış olmalısınız. Geliştirilmesinden sonra bu teknik, türbülans alanındaki araştırmacıların Lagrange akış dinamiği ile ilgili deneysel çalışmaları keşfetmelerinin önünü açtı.