Engineering
A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.
The JoVE video player is compatible with HTML5 and Adobe Flash. Older browsers that do not support HTML5 and the H.264 video codec will still use a Flash-based video player. We recommend downloading the newest version of Flash here, but we support all versions 10 and above.
If that doesn't help, please let us know.
Samtidig måling av turbulens og partikkel kinematikk med flyt Imaging teknikker
Summary March 12th, 2019
Please note that all translations are automatically generated.
Click here for the English version.
Teknikken beskrevet her tilbyr en rimelig og relativt enkel metode for å måle samtidig partikkel kinematikk og turbulens i renn med lav partikkel konsentrasjoner. Turbulens måles med partikkel bilde velocimetry (PIV) og partikkel kinematikk beregnes fra profilen oppnådd med et høyhastighets kamera i en overlappende felt-of-view.
Transcript
Tallrike felt innen både ingeniørfag og naturvitenskap innebærer problemer forbundet med væskepartikkelinteraksjon. Denne metoden gir en relativt rimelig, ikke-påtrengende samtidig optisk måling av både partikkelbaner og strømningshastigheter. Her måler vi oppgjørshastighetene til sedimentpartikler i en turbulent strømning, noe som muliggjør detaljert karakterisering av partikkelbanene samtidig som vi måler turbulente hastigheter på samme sted.
For å starte partikkelbildet velocimetry oppsett, fikse en dobbel hode høy intensitet puls laser horisontalt nivå på en optisk plate, i tråd med strømningsanlegget. Plasser en sylindrisk linse på linje med laseren for å produsere et 2D-fly med lys som vil være under det oscillerende rutenettet. Monter deretter en sfærisk linse etter den sylindriske linsen på avstand som vil generere et lysark som er 5 til en millimeter tykk.
Deretter plasserer du et CCD-kamera med dobbel eksponering vinkelrett på lysarket for å ta opp bilder for PIV. Fest et objektiv til kameraet, slå det på og sett det til fri og kontinuerlig modus. Fokuser PIV-kameraet grovt på det turbulente strømningsanlegget.
Juster blenderåpningen og kameraposisjonen til bildet er mindre enn eller i nærheten av de ønskede lysarkgrensene. Slå deretter av kameraet og slå på laseren med lav intensitet. Kontroller at lysarket er vinkelrett på gulvet, og plasser deretter et kalibreringsmål merket med et rutenett nøyaktig i midten av lysarket.
Det er viktig å sikre at PIV-kameraet er vinkelrett på lysarket og at lysarket er vinkelrett på gulvet eller anleggets bunn. Feiljustering resulterer i feil hastighetsprojeksjoner, og dermed væskehastighetsfeil. Slå av laseren og slå kameraet på igjen.
Fokuser kameraet på kalibreringsmålet og ta ett enkelt bilde. Åpne bildet i bildebehandlingsprogramvaren, og bekreft at rad-, høyde- og kolonneavstanden er konsistent på tvers av målet. Hjørnemarkørstørrelsene skal variere med ikke mer enn én piksel, og ideelt sett bør de være identiske.
Hvis bildet oppfyller disse kriteriene, fjerner du kalibreringsmålet. Installer rutenettet, og kjør anlegget. Deretter introduserer du omtrent en spiseskje full av PIV-sporpartikler til væsken.
Vent til sporstoffene og væsken er godt blandet før du fortsetter. Slå deretter på laseren og sett den til ekstern kontroll og høy effekt. Slå av romlysene og ta et bildepar for å evaluere sporstofftettheten.
Gradvis øke tracer konsentrasjonen av teskje-fulls til ønsket visuell tetthet. Sett deretter PIV-kamerabildefrekvensen til høyest mulig verdi og angi tiden mellom påfølgende PIV-bilder. Kontroller at laseren er riktig konfigurert.
Slå deretter av lysene og samle inn data i frimodus i noen sekunder. Kryss korrelerer bildeparene og bekrefter at de anskaffede dataene er av god kvalitet. Stopp rutenettet oscillasjon når du er ferdig.
For å begynne å sette opp 2D-partikkelsporing plasserer du et monokromatisk LED-linjelys under svingningsgitteranlegget slik at lysarket sentrerer seg innenfor LED-linjen. Slå på LED-lampen og laseren på lavt strømspar. Kontroller at lysarket og linjelyset er godt justert, og slå dem deretter av.
Deretter feste en linse til en CMOS høyhastighetskamera som skal brukes til partikkelsporing. Slå på kameraet i fri kontinuerlig eller live-modus, og fokuser det grovt på interesseområdet. Juster partikkelsporingskameraets blenderhøyde og -avstand til interesseområdet er med sitt synsfelt og kameraet er jevnt og vinkelrett på linjelyset.
Slå av kameraet. Slå på linjelyset og plasser kalibreringsmålet midt på linjelyset. Slå deretter av linjelyset, slå på kameraet og fokuser det på målet.
Ta et bilde av kalibreringsmålet og bekreft at partikkelsporingskameraet er jevnt, vinkelrett på målet og i fokus uten bildeforvrengning på kantene. Fjern kalibreringsmålet etterpå. Angi deretter antall høyhastighetsbilder som skal samles inn.
Basert på den forventede partikkelhastigheten, sett bildefrekvensen og oppløsningen til verdier som skal oppnå partikkelforskyvning på tre til 10 piksler mellom bilder. Installer rutenettet, slå på LED-linjelyset og gjør rommet mørkere. Start rutenettet oscillasjon og introdusere en liten del av partiklene av interesse i strømmen.
Når partiklene vises på høyhastighetskameraet, ta noen bilder. Det er viktig at partikkelsporene er tydelig synlige på bildene, noe som indikerer at partiklene forblir i planet og ikke ofte overlapper hverandre. Unnlatelse av å oppfylle disse kriteriene vil resultere i en manglende evne til å nøyaktig spore partiklene.
Bekreft at det ikke er noen synlige inngangseffekter, partikkeloverlapping er sjelden, og partikkelbevegelse er primært i planet. Stopp svingningen når du er ferdig. For å starte den endelige kalibreringen, med lysene nedtonet plassere kalibreringsmålet i LED og laser lysark.
Slå av laseren og LED-lampen, og slå på romlysene. Kontroller at kalibreringsmålet er i fokus i kameraets FOVer, og har et unikt merke som er synlig for begge kameraene. Ta et bilde av kalibreringsmålet på begge kameraene.
Legg merke til de relevante plasseringene av det unike merket, og bekreft at kameraene fortsatt er i nivå og viser ingen forvrengning rundt kantene. Fjern deretter kalibreringsmålet, installer rutenettet og start svingningen. La den kjøre i minst 20 minutter for å tillate strømmen å nå en jevn tilstand.
Deretter mørkner rommet, slår på LED-linjelyset og introduserer partiklene i strømmen. Start laserpulser og bildeoppkjøp for begge systemene samtidig når partikler vises i partikkelsporingskameraet FOV. Når datainnsamlingen er fullført, lagrer du bildene og stopper rutenettets svingninger.
Analyser flythastighetsfordelingen og partikkelbanene. PIV-bildene kan behandles i øyeblikkelig væskehastighet og vortiskhetsfordelinger. Her er væskehastighet vektordistribusjonen lagt over på et fargekart med vortitet.
Med dette oppsettet bør størrelsen på det romlige gjennomsnittet av rotsnitte kvadrert væskehastighetssvingninger over PIV-synsfeltet øke med oscillasjonsfrekvens for både horisontale og vertikale hastighetskomponenter. Partikkelbaner og hastigheter kan bestemmes av de høyhastighets partikkelsporingsbildene. Fordelingen av partikkelhastigheter bør være omtrent gaussisk.
Her former større uregelmessig partikler generelt partikkelhastighetsfordelinger med større standardavvik enn de mindre, sfæriske partiklene. Selv om begge settene med partikler viste fordelinger med større gjennomsnittlige vertikale hastigheter og større standardavvik etter hvert som nettscillasjonsraten økte. Den stillestående strømmen som avgjør hastigheter av syntetiske partikler, industriell sand og lokalt samlet sand bestemt fra deres partikkelbaner, er alle grovt enige med Dietrich-kurvene.
Tendensen til at partikler avgjør hastigheter til å øke med nettsvingninger frekvens ble utforsket videre i senere analyse. Samtidig optisk måling av både partikkelkinetikk og væskedynamikk, spesielt turbulens, er utfordrende på grunn av potensialet for interferens mellom de to bildeteknikkene, noe som resulterer i målings unøyaktigheter. Strømmer som er sterkt tredimensjonale er ikke godt egnet for denne teknikken, fordi ut av planbevegelser vil produsere feil i både 2D-sporing og partikkelvelocimetryanalysen.
Konsentrasjonen av sporede partikler må være relativt lav for å maksimere tilliten til at den samme partikkelen spores i påfølgende bilder. Også PIV-sporstoffer og partiklene som spores må være tilstrekkelig forskjellige i størrelse for å skille dem. Integreringen av flythastighetsinformasjonen med partikkelbanen avhenger av hva som undersøkes.
Denne metoden kan for eksempel også undersøke strømningshastighetene ved bestemte tilfeller i tide langs partikkelens bane. Denne teknikken ble demonstrert med sedimenttransport, en applikasjon for bevegelsesvitenskap, men det er relevant i mange applikasjoner hvor væskestrømmen samhandler med naturlige eller menneskeskapte partikler.
Please enter your institutional email to check if you have access to this content
has access to
BackLogin to access JoVE
We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.
If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.
Please enter your email address so we may send you a link to reset your password.
We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.
If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.
To receive a free trial, please fill out the form below.
We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.
If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.
Thank You
Thank You
Thank You
CH
DE