Eş zamanlı ölçüm türbülans ve akış görüntüleme teknikleri kullanarak parçacık kinematik

Hem mühendislik hem de doğa biliminde çok sayıda alan sıvı parçacık etkileşimi ile ilgili sorunları içerir. Bu yöntem, hem parçacık yörüngelerinin hem de akış hızlarının nispeten düşük maliyetli, müdahaleci olmayan eşzamanlı optik ölçümsağlar. Burada tortu parçacıklarının çalkantılı bir akıştaki yerleşme hızlarını ölçer, parçacık yörüngelerinin ayrıntılı karakterizasyonuna olanak sağlarken aynı zamanda aynı konumdaki türbülanslı hızları ölçeriz.

Parçacık görüntü velocimetry kurulum başlamak için, akış tesisi doğrultusunda, bir optik plaka üzerinde yatay düzeyde bir çift kafa yüksek yoğunluklu darbe lazer düzeltmek. Salınım lı ızgaranın altında olacak 2B ışık düzlemi üretmek için lazerle aynı hizaya silindirik bir lens yerleştirin. Daha sonra silindirik lensten sonra 5 ila 1 milimetre kalınlığında bir ışık tabakası oluşturacak bir mesafede küresel bir mercek yerleştirin.

Ardından, PIV için görüntüleri kaydetmek için ışık sayfasına dik bir çift pozlama CCD kamera yerleştirin. Kameraya bir lens takın, açın ve serbest ve sürekli modda ayarlayın. PIV kamerayı çalkantılı akış tesisine odakla.

Diyafram açıklığını ve kamera konumunu, görüntü istenilen ışık sayfası sınırlarından daha küçük veya yakın olana kadar ayarlayın. Ardından kamerayı kapatın ve lazeri düşük yoğunlukta açın. Işık tabakasının zemine dik olduğunu doğrulayın ve ardından ışık sayfasının tam ortasına ızgarayla işaretlenmiş bir kalibrasyon hedefi yerleştirin.

PIV kameranın ışık tabakasına dik olduğundan ve ışık tabakasının zemine veya tesis dibine dik olduğundan emin olmak önemlidir. Yanlış hizalama, yanlış hız projeksiyonları ve dolayısıyla akışkan hız hatası ile sonuçlanır. Lazeri kapatın ve kamerayı tekrar açın.

Kamerayı kalibrasyon hedefine odakla ve tek bir görüntü çekin. Görüntü işleme yazılımında görüntüyü açın ve satır, yükseklik ve sütun aralığının hedef genelinde tutarlı olduğunu onaylayın. Köşe işaretçisi boyutları en fazla bir piksel farklı olmalı ve ideal olarak, onlar aynı olmalıdır.

Görüntü bu ölçütleri karşılıyorsa, kalibrasyon hedefini kaldırın. Şebekeyi kurun ve tesisi çalıştırın. Sonra sıvı piv izleyici parçacıkları dolu bir çorba kaşığı hakkında tanıtmak.

Devam etmeden önce izleyiciler ve sıvı iyice karıştırılana kadar bekleyin. Sonra lazer açın ve dış kontrol ve yüksek güç ayarlayın. Oda ışıklarını kapatın ve izleyici yoğunluğunu değerlendirmek için bir görüntü çifti yakalayın.

Yavaş yavaş istenilen görsel yoğunluğuna çay kaşığı dolu tarafından izleyici konsantrasyonu artırmak. Ardından, PIV kamera kare hızını mümkün olan en yüksek değere ayarlayın ve ardışık PIV görüntüler arasındaki süreyi ayarlayın. Lazerin uygun şekilde yapılandırıldığından onaylayın.

Ardından ışıkları kapatın ve birkaç saniye boyunca serbest modda veri toplayın. Görüntü çiftlerini çapraz bağlayın ve elde edilen verilerin kaliteli olduğunu onaylayın. Bittiğinde ızgara salınımını durdurun.

2B parçacık izleme yi ayarlamaya başlamak için, ışık tabakasının LED hattı içinde ortalanması için salınım ızgarası tesisinin altına monokromatik LED çizgi ışığı yerleştirin. LED hat ışığını ve lazeri düşük güçte açın. Işık tabakasının ve çizgi ışığının iyi hizalanmış olduğunu doğrulayın ve kapatın.

Sonraki parçacık izleme için kullanılacak bir CMOS yüksek hızlı kamera bir lens takın. Kamerayı ücretsiz sürekli veya canlı modda açın ve kaba bir şekilde ilgi bölgesine odakla. Parçacık izleme kamerası diyafram yüksekliği ve mesafesini, ilgi alanı yla ve kamera çizgi ışığına dik ve düz olana kadar ayarlayın.

Kamerayı kapat. Hat ışığını açın ve kalibrasyon hedefini hat ışığının ortasına yerleştirin. Ardından hat ışığını kapatın, kamerayı açın ve hedefe odaklayın.

Kalibrasyon hedefinin bir görüntüsünü yakalayın ve parçacık izleme kamerasının düz, hedefe dik ve kenarlarda görüntü bozulması olmadan odakta olduğunu doğrulayın. Daha sonra kalibrasyon hedefini kaldırın. Ardından toplanacak yüksek hızlı görüntülerin sayısını ayarlayın.

Beklenen parçacık hızına bağlı olarak, kare hızını ve çözünürlüğü, görüntüler arasında üç ila 10 piksel parçacık deplasmanı elde etmesi gereken değerlere ayarlayın. Izgarayı kurun, LED hattı ışığını açın ve odayı koyulaştırın. Izgara salınımını başlatın ve ilgi parçacıklarının küçük bir kısmını akışa tanıtın.

Parçacıklar yüksek hızlı kamerada göründüğünde, birkaç kare yakalayın. Parçacık izlerinin görüntülerde açıkça görülebilmesi, parçacıkların düzlemde kaldığını ve sık sık örtüşmediğini belirtmesi önemlidir. Bu ölçütlerin karşılanmaması parçacıkların doğru bir şekilde izlenememesine neden olur.

Görünür bir giriş etkisi olmadığını, parçacık çakışması seyrek olduğunu ve parçacık hareketinin öncelikle düzlemde olduğunu doğrulayın. Bittiğinde salınımı durdurun. Son kalibrasyona başlamak için, ışıklar soluk la birlikte kalibrasyon hedefini LED ve lazer ışık levhaları içine yer.

Lazeri ve LED'i kapatın ve oda ışıklarını açın. Kalibrasyon hedefinin kamera FOV'ları içinde odakta olduğundan ve her iki kamera için de görülebilen benzersiz bir işaretolduğundan emin olun. Her iki kamerada da kalibrasyon hedefinin görüntüsünü yakalayın.

Benzersiz işaretin ilgili yerleşimlerine dikkat edin ve kameraların hala düz olduğunu ve kenarlarda herhangi bir bozulma gösterolmadığını doğrulayın. Ardından kalibrasyon hedefini kaldırın, ızgarayı kurun ve salınımı başlatın. Akışın sabit bir duruma ulaşması için en az 20 dakika çalışmasına izin verin.

Daha sonra odayı koyulaştırın, LED hat ışığını açın ve parçacıkları akışa tanıtın. Parçacıkizleme kamerası FOV'da parçacıklar göründüğünde aynı anda lazer darbeleri ve her iki sistem için görüntü edinimi başlatın. Veri toplama tamamlandığında, görüntüleri kaydedin ve ızgara salınımını durdurun.

Akış hızı dağılımını ve parçacık yörüngelerini analiz edin. PIV görüntüleri anlık sıvı hızı ve girdap dağılımları içine işlenebilir. Burada akışkan hız vektör dağılımı bir girdap renk haritası üzerine kaplanır.

Bu kurulumile, hem yatay hem de dikey hız bileşenleri için salınım frekansı ile birlikte, piv görüş alanı üzerindeki kök ortalamasının ortalama karesıvı hızı dalgalanmasının büyüklüğü artmalıdır. Parçacık yörüngeleri ve hızları yüksek hızlı parçacık izleme görüntülerinden belirlenebilir. Parçacık hızlarının dağılımı kabaca gaussian olmalıdır.

Burada daha büyük düzensiz şekiller parçacıklar genellikle küçük, küresel parçacıklar daha büyük standart sapmaları ile parçacık hız dağılımları gösterdi. Her iki parçacık kümesi de ızgara salınım hızı arttıkça daha büyük ortalama dikey hızlara ve daha büyük standart sapmalara sahip dağılımlar gösterse de. Sentetik parçacıkların, endüstriyel kumların ve parçacık yörüngelerinden belirlenen yerel olarak toplanan kumların durgun akışı Dietrich eğrileriyle kabaca aynı fikirdedir.

Daha sonraki analizlerde, ızgara salınım frekansı ile hızları arttırmaya yerleşen parçacıkların eğilimi daha fazla araştırıldı. Hem parçacık kinetik hem de akışkandinin eşzamanlı optik ölçümü, özellikle türbülans, iki görüntüleme tekniği arasında girişim potansiyeli nedeniyle zordur ve ölçüm yanlışlıklar ile sonuçlanır. Üç boyutlu olan akışlar bu teknik için uygun değildir, çünkü düzlem dışı hareketler hem 2B izlemede hem de parçacık velocimetry analizinde hatalara neden olur.

İzlenen parçacıkların konsantrasyonu, aynı parçacığın ardışık görüntülerde izlendiğinin güvenini en üst düzeye çıkarmak için nispeten düşük olmalıdır. Ayrıca, PIV izleyicileri ve izlenen parçacıklar onları ayırt etmek için boyut olarak yeterince farklı olmalıdır. Akış hızı bilgilerinin parçacık yörüngesi ile bütünleşmesi araştırılan şeye bağlıdır.

Örneğin, bu yöntem, parçacığın yörüngesi boyunca belirli durumlarda akış hızlarını da inceleyebilir. Bu teknik, hareket bilimleri için bir uygulama olan tortu taşıma ile gösterilmiştir ancak sıvı akışının doğal veya insan yapımı partiküllerle etkileştiği birçok uygulamada önemlidir.