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フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定
Summary March 12th, 2019
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ここで説明する手法は、粒子運動と低粒子濃度の流れにおける乱流を同時に測定する低コストかつ比較的簡単な方法を提供しています。粒子画像流速測定法 (PIV) を用いて乱流、粒子の運動が重複するフィールド-の-ビューで高速カメラで得られた画像から計算されます。
Transcript
工学と自然科学の両方の多くの分野は、流体粒子相互作用に関連する問題を伴います。この方法は、粒子軌道と流速の両方の比較的低コストで非侵入的な同時光学測定を提供する。ここでは、乱流流の沈降粒子の沈降速度を測定し、同じ場所で乱流速度を同時に測定しながら、粒子軌道の詳細な特徴付けを可能にします。
粒子像の前地起量の設定を開始するには、二重ヘッド高輝度パルスレーザーを、流量設備に合わせて光学プレート上で水平に固定します。レーザーに合わせて円筒形のレンズを配置し、振動グリッドの下にある2D光面を生成します。その後、円筒レンズの後に球状レンズを設置し、厚さ5~1ミリのシートを生成します。
次に、PIVの画像を記録するために、ライトシートに垂直に二重露光CCDカメラを配置します。レンズをカメラに取り付け、オンにして、フリーモードと連続モードに設定します。PIVカメラを乱流施設に粗く焦点を合わせます。
画像が希望のライトシートの境界より小さくなるか、または近づくまで、絞りとカメラの位置を調整します。その後、カメラの電源を切り、低強度でレーザーをオンにします。ライトシートが床に対して垂直であることを確認し、グリッドでマークされたキャリブレーションターゲットをライトシートの中央に正確に配置します。
PIV カメラがライト シートに対して垂直であり、ライト シートが床または施設の底面に垂直であることを確認することが不可欠です。不整列により、速度投影が正しくないため、流体速度誤差が発生します。レーザーの電源を切り、カメラの電源を入れ直します。
カメラをキャリブレーションターゲットに合わせ、1枚の画像をキャプチャします。画像処理ソフトウェアで画像を開き、行、高さ、列の間隔がターゲット全体で一貫していることを確認します。コーナーマーカーのサイズは1ピクセル以下で異なるもので、理想的には同一でなければなりません。
画像がこれらの基準を満たしている場合は、キャリブレーションターゲットを削除します。グリッドをインストールし、機能を実行します。次に、PIVトレーサー粒子の大さじいっぱいの液体を導入します。
トレーサーと流体が十分に混合されるまで待ってから続行してください。次にレーザーをオンにし、外部制御と高電力に設定します。部屋のライトをオフにして、イメージ ペアをキャプチャしてトレーサーの密度を評価します。
徐々に所望の視覚密度にティースプーンフルによってトレーサー濃度を増加させます.次に、PIVカメラのフレームレートを可能な限り高い値に設定し、連続するPIV画像間の時間を設定します。レーザーが適切に構成されていることを確認します。
その後、ライトをオフにし、数秒間フリーモードでデータを収集します。クロスは画像のペアを相互に関連付け、取得したデータが良好な品質であることを確認します。終了したら、グリッドの振動を停止します。
2D パーティクル トラッキングの設定を開始するには、単色 LED ライン ライトを発振グリッド施設の下に配置し、ライト シートが LED ラインの中央に配置されるようにします。LEDラインライトとレーザーを低電力でオンにします。ライトシートとラインライトが正しく揃っていることを確認し、オフにします。
次に、粒子追跡に使用するCMOS高速カメラにレンズを取り付けます。カメラを無料の連続モードまたはライブモードでオンにし、関心のある領域に粗く焦点を合わせます。パーティクル トラッキング カメラの開口の高さと距離を調整して、対象領域が視野に入り、カメラがライン ライトに対して垂直に垂直になるまで調整します。
カメラの電源を切ります。ラインライトを点灯し、キャリブレーションターゲットをラインライトの中心に配置します。次に、ラインライトをオフにし、カメラの電源をオンにして、ターゲットに焦点を当てます。
キャリブレーションターゲットの画像をキャプチャし、粒子追跡カメラがターゲットに対して垂直で、エッジに画像の歪みのない焦点を合わせ、レベルであることを確認します。後でキャリブレーションターゲットを削除します。次に、収集する高速画像の数を設定します。
予想されるパーティクル速度に基づいて、フレーム レートと解像度を、イメージ間のパーティクルの変位を 3 ~ 10 ピクセルにする必要がある値に設定します。グリッドを設置し、LEDラインのライトをオンにして、部屋を暗くします。グリッドの振動を開始し、関心のあるパーティクルの小さな部分をフローに導入します。
パーティクルが高速カメラに表示されたら、いくつかのフレームをキャプチャします。パーティクル トラックがイメージ内にはっきりと見えるようにすることが重要であり、パーティクルが平面に残り、頻繁にオーバーラップしないことを示します。これらの基準を満たさないと、パーティクルを正確に追跡できません。
可視の入り口効果がないことを確認し、パーティクルのオーバーラップはまれで、パーティクルのモーションは主に平面内に存在します。終了したら、振動を停止します。最終的な校正を開始するには、ライトが薄暗く点灯し、LEDとレーザー光シート内にキャリブレーションターゲットを配置します。
レーザーとLEDをオフにして、部屋のライトをオンにします。キャリブレーションターゲットがカメラのFOV内でフォーカスされ、両方のカメラに固有のマークが表示されていることを確認します。両方のカメラでキャリブレーションターゲットの画像をキャプチャします。
一意のマークの関連する配置に注意し、カメラがまだレベルであり、エッジの周囲に歪みが表示されなくて済むのを確認します。次に、キャリブレーションターゲットを取り外し、グリッドを取り付けて、振動を開始します。フローが安定した状態に達するように、少なくとも20分間実行します。
その後、部屋を暗くし、LEDラインライトを点灯し、粒子を流れに入れます。パーティクルがパーティクルトラッキングカメラ FOV に現れたときに、両方のシステムのレーザーパルスと画像取得を同時に開始します。データの取得が完了したら、画像を保存し、グリッドの振動を停止します。
流速分布と粒子軌道を解析します。PIV画像は、瞬時の流体速度および渦度分布に処理することができます。ここでは流体速度ベクトル分布が渦度カラーマップ上にオーバーレイされます。
この設定では、PIV視野上の平方根平均二乗流体速度変動の空間平均の大きさは、水平および垂直の両方の速度成分の振動周波数とともに増加するはずです。粒子の軌跡と速度は高速粒子追跡画像から決定することができる。粒子速度の分布は、およそガウスである必要があります。
ここで、粒子は一般的に、より小さい球状粒子の粒子よりも標準偏差が大きい粒子速度分布を示した。両方の粒子のセットは、グリッドの振動速度が増加するにつれて、より大きな平均垂直速度とより大きな標準偏差を持つ分布を示したが。合成粒子、工業用砂、および局所的に集められた砂の停滞した流れは、粒子軌道から決定され、ディートリッヒ曲線とほぼ一体と一体と一体的に一定した。
粒子がグリッド振動周波数とともに速度を落ち着かせる傾向は、その後の解析でさらに検討された。粒子運動と流体力学の両方の同時光学測定、特に乱流は、2つのイメージング技術間の干渉の可能性があるため、測定の不正確さをもたらすため、困難です。平面外のモーションでは 2D トラッキングとパーティクルの前乗計解析の両方でエラーが発生するため、3 次元の強いフローはこの手法に適していません。
同じパーティクルが連続した画像で追跡されているという確信を最大限に高めるために、追跡されるパーティクルの濃度は比較的低くなければなりません。また、PIVトレーサと追跡されるパーティクルは、それらを区別するのに十分なサイズでなければなりません。流速情報と粒子軌道の統合は、何が調査されているかによって決まります。
例えば、この方法は、粒子の軌道に沿った特定のインスタンスにおける流速を調べることもできます。この技術は、運動科学の応用である堆積物輸送で実証されたが、流体流れが自然粒子または人工粒子と相互作用する多くの用途に関連している。
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