표면 근처 고속 입자 이미지 유속계

Engineering
 

Summary

고해상도, 고속 입자 영상 유속계 (PIV)를 사용하여 경계 근처에 과도 흐름을 연구하는 절차는 여기에 설명되어 있습니다. PIV는 이미지와 기록 특성, 레이저 시트 속성 및 분석 알고리즘과 같은 여러 매개 변수 제약 조건을 최적화하여 모든 광학적 접근이 흐름에 적용 할 수있는 비 간섭 측정 기술입니다.

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Lu, L., Sick, V. High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces. J. Vis. Exp. (76), e50559, doi:10.3791/50559 (2013).

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Abstract

다차원 및 과도 흐름은 과학, 공학, 건강 과학의 여러 분야에서 중요한 역할을하지만, 종종 잘 이해되지 않습니다. 이러한 흐름의 복잡한 성격 입자 영상 유속계 (PIV), 광학적 접근이 흐름을위한 레이저 기반 이미징 기술을 사용하여 연구 할 수 있습니다. PIV의 여러 형태가 원래 평면 액형 속도 측정 기능을 넘어 기술을 확장하여 존재하지만, 기본 PIV 시스템은 광원 (레이저), 카메라, 추적 입자 및 분석 알고리즘으로 구성되어 있습니다. 영상 녹화 매개 변수 광원 및 알고리즘은 관심의 흐름에 대한 기록을 최적화하고 유효한 속도 데이터를 얻기 위해 조정됩니다.

초당 몇 프레임에서 비행기의 일반적인 PIV 조사 측정은 두 가지 구성 요소의 속도. 전이를 해결 할 수 있지만, 계측의 최근 개발이 용이 한 높은 프레임 속도 (> 1 kHz에서) 측정ENT 높은 시간적 해상도로 흐른다. 따라서, 높은 프레임 속도 측정은 매우 일시적인 흐름의 구조와 역학의 진화에 사용 조사를해야합니다. 이 조사는 복잡한 흐름의 기본적인 물리학을 이해하는 데 중요한 역할을한다.

플랫 플레이트의 표면 근처에 과도 흐름을 연구하는 고해상도, 고속 평면 PIV를 수행하기위한 자세한 설명은 여기에 표시됩니다. 같은 이미지와 기록 특성, 레이저 시트 속성과 같은 매개 변수 제약 조건을 조정하고 관심의 흐름 PIV를 적용하는 알고리즘을 처리 세부 사항이 포함되어 있습니다.

Introduction

다차원 속도의 측정과 시간의 흐름 필드를 추적 할 수있는 능력은 과학, 공학, 건강 과학의 많은 분야에서 중요한 정보를 제공합니다. 유량 이미지에 가장 널리 사용되는 기술 중에 입자 영상 유속계 (PIV)입니다. 처음에는 속도 성분 평면에서 두 개의 측정 스냅 샷, PIV 변종이 세 구성 요소와 체적 측정 기능을 제공하기 위해 개발 된 것으로 평면 기법으로 설립했다. 모든 PIV 시스템은 추적 입자, 하나 이상의 광원 및 하나 이상의 카메라로 구성되어 있습니다. 고체 입자 또는 물방울은 일반적으로 추적 입자로 사용되지만 흐름에 내재 된 거품은 추적 입자로 사용할 수 있습니다. 카메라 (들) 다음 이미지 (들) 분산 또는 그들이 광원 (들)에 의해 조사 된 후에 추적 입자에서 빛을 방출. 변화 1,2의 넓은 범위 사이 가장 일반적인 하나는 쥐에서 평면에 두 개의 속도 성분을 캡처초당 몇 프레임의 전자. 더 최근에, 새로운 계측 kHz의 범위에서 난류 시간 스케일에서 흐름을 따라 높은 프레임 속도를 측정 (> 1 kHz에서) 사용하고 있습니다.

PIV는 알려진 시간 지연으로 구분되는 이미지의 한 쌍의 입자 집단의 평균 움직임을 추적하여 속도 필드를 결정합니다. 각각의 이미지는 정기적으로 간격 심문 창문의 격자로 나누어 져 있습니다. 가장 일반적인 심문 창 크기는 32 × 32 픽셀입니다. 알고리즘은 심문 창 당 하나의 변위 벡터의 결과로, 모든 질문 창에 대한 상호 상관 함수를 계산하기 때문에 벡터의 정규 격자를 생성합니다. 시간 지연에 의해 변위 벡터 필드를 나누면 그 속도 벡터 필드를 결정합니다.

PIV 측정을 계획 할 때 그것은 일반적으로 실험 설정의 선택이 충돌하는 요구 사이에 절충 것을 깨닫게하는 것이 중요합니다. 즉, 실험정신 상태가주의 손에서 연구에 대한 중요성 흐름의 측면을 캡처하는 계획해야합니다. 라펠 등. 1 아드리안과 Westerweel 2로 책이 제약 조건의 뛰어난 심도있는 논의를 제공합니다. 여기에서 우리는 현재의 상황에서 가장 중요한 몇 가지를 강조 표시합니다.

시야 (FOV)의 선택은 여기에서 매개 변수 선택을위한 시작점을 설정합니다. 카메라 칩 픽셀의 수는 하나가 자주 교차 상관 관계 절차를 수행하는 동안 50 %의 중복과 32 × 32 픽셀의 심문 창 크기를 사용하도록 선택하는 가정, 공간 해상도와 얻은 벡터의 수를 결정합니다. 심문 창 당 8-10 입자의 시딩 밀도는 일반적으로 상호 상관 함수를 지원하기 위해 원하는. 그러나, 입자 추적 유속계 (PTV)와 시간 평균 상관 관계 방식과 같은 특수 알고리즘은이 있다고 할 수있다표면에 가까운 영상의 경우와 같이 낮은 시딩 밀도 (1-3 입자 / 심문 창)의 상황을 해결하는 데 사용할 수. 각 심문 창에서 속도 구배가 해당 창에 대한 결과 대표 벡터의 편견을 피하기 위해 작은되어야합니다.

설립 규칙의 엄지 손가락 첫 번째와 두 번째 프레임 사이의 입자 변위 페어링 손실 (처음부터 심문 창에서 입자 이미지의 손실의 수를 줄이기 위해 8 픽셀 (¼ 심문 창 크기)를 넘지 않아야한다는 것입니다 상관 관계) 두 번째 프레임으로 프레임. 그 결과로, 두 개의 연속적인 레이저 펄스 (DT) 사이의 시간을 적절하게 조정해야합니다. 하단의 해상도 한계는 0.1 픽셀 변위의 순서에이기 때문에, 8 픽셀의 변위에 해당하는 아래의 DT를 줄이면 속도 동적 범위를 줄일 수 있습니다.

8 픽셀의 변위 w와 유사영상 평면 ithin는 높은 속도 입자는 페어링 손실의 수를 줄이기 위해 다시 빛 시트 두께의 ¼ 이상을 통과하지 않아야합니다. 두 레이저 펄스 사이의 시간 지연이 빛 시트 평면 내에서 가장 상관 관계를 확인하는 데 사용되기 때문에, 시트의 두께는이 컨텍스트에서 변수입니다. 빛의 강도의 균일 성이 같은 평면 레이저 유도 형광 이미징 3, 그 주변 모자 빔 프로파일과 강도를 기반으로 측정만큼 중요하지 않은 동안 특히 높은 해상도 이미징, PIV 질 수 있습니다.

일반적으로, 연구 결과에 따라 흐름의 본질에 대한 몇 가지 가정을 실험 변수의 선택에서 시작 지점으로 사용할 수 있습니다. 그런 다음, 탐구 실험 설정을 수정하는 데 필요할 수 있습니다.

여기서 우리는 두 가지 속도 compone의 높은 프레임 속도 영상을 측정 할 수있는 PIV 실험을 설정하는 방법에 대해 설명합니다경계층 구조를 해결하기 위해 적절 공간 해상도와 국세청. 이것은 높은 반복률의 사용으로 이루어집니다 TEM 00 다이오드 펌핑 고체 레이저, 장거리 현미경, 높은 프레임 속도 CMOS 카메라. 표면에 가까운 이미지에 몇 가지 세부 사항도 포함되어 있습니다.

Protocol

1. 실험실 안전

  1. 검토 레이저 안전 레이저를 사용하기 전에 물질 및 교육 요구 사항이 충족되는지 확인합니다.
  2. 레이저 작업을위한 올바른 안전 장비를 얻을 수 있습니다. 각 개인은 레이저의 발광 파장 (들)을 차단합니다 레이저 안전 고글의 쌍을 착용해야합니다. 레이저가 작동 할 때 다른 사람이 알 수 있도록 실험실 외부의 경고 표지판을 설치합니다. 광학 벤치 놀아 레이저 안전 커튼은 공유 실험실 공간에서 동료 기타에서 분리합니다.
  3. 레이저로 작업 할 때 모든 시계와 보석을 제거합니다.
  4. 조정을하면 위 또는 빔 아래에 도달 필요하지 않도록 장비를 설정 장비를 설정할 때 빔 경로를 고려하십시오.
  5. 안전하게 레이저를 작동하는 방법을 결정하기 위해 레이저 설명서를 참조하십시오.
  6. 레이저 빔의 평면의 눈 수준을 유지!

2. 벤치 탑 셋업

  1. 확대 t를 결정모자는 응용 프로그램에 필요한하고 적절한 렌즈를 선택한다. 배율 (M)은 시야 (FOV)의 해당 길이의 카메라 칩의 길이를 분할하는 것으로 판단 할 수 있습니다. 이 예에서, 카메라 칩의 길이는 17.6 mm이고 FOV의 해당 길이는 2.4 mm이다. 따라서, M = 17.6 mm / 2.4 mm = 7.33. 장거리 현미경이 작은 FOV를 달성하기 위해 여기에 사용됩니다.
    1. 벽 근처 지역에서 예상 속도의 약간 거친 계산을 수행합니다. 이러한 프레임 속도와 PIV 1,2 실제적인 지침에 따라 시간 지연으로 녹음 매개 변수를 결정하기 위해 이러한 추정치를 사용합니다. 이 8 픽셀을 여행하는 입자에 대해 수행되는 시간을 결정합니다. 이것은 각각의 레이저 펄스 (DT) 사이의 시간 지연을 결정합니다. 시계열 PIV에서 1/dt는 필요한 카메라의 프레임 속도를 결정하고 카메라에 의해 허용되는 최대 프레임 속도보다 작아야합니다. 이러한 매개 변수에 작은 조정을 할 수있다나중에 높은 품질의 속도 데이터를 얻기 위해 흐름 기록을 최적화하는 것이 필요합니다. 필요한 프레임 속도가 최대 레이저 반복 속도를 초과 할 경우, 두 레이저는 프레임 벌리고 모드에서 PIV를 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 이 예를 들어, 프레임 속도 (5 kHz에서)는 레이저의 최대 반복 속도를 초과하지 않으며, 따라서 단 하나의 레이저 시계열 모드에서 PIV를 수행하는 데 필요합니다.
  2. 테이블에 관련하여 레이저 레벨
    1. 레벨 광학 테이블의 한쪽 끝에 레이저 헤드를 설정합니다. 직접 테이블의 다른 쪽 끝에서 빔 경로에 빔 덤프를 놓습니다.
    2. 레이저 헤드와 빔 덤프 사이의 광학 레일을 놓습니다. 테이프 빔 차단을 대상, 캐리어 빔 차단기를 고정하고 레일에 캐리어를 놓습니다.
    3. 저 전류 설정을 현재 레이저를 설정 - 충분한 LASE 수 있지만 종이를 구울 정도로. 레이저를 켜고 앞뒤로 캐리어를 밀어 넣습니다. 레이저 위치 UNT에 작은 조정을캐리어가 앞뒤로 이동하면서 레이저 빔의 IL 센터는 한 자리에 유지됩니다. 광학 테이블에 레이저를 수정합니다.
    4. 조합 사각형을 사용하여 레이저 빔의 중심 높이를 측정합니다. 레이저의 전원을 끕니다.
  3. 레이저 시트 성형 광학을 설치
    1. 레일을 제거하고 빔 덤프 앞에있는 목표 빔 차단기를 놓습니다. 레이저의 전원을 켜고 빔의 중심 대상 안타 곳 신중하게 표시합니다. 또한 레이저 시트를 형성하는 레이저 경로에,이 데모에서 망원경을 형성하는 시트를 포함하는 빔 균질화 (BH) 인 광학을 형성 시트를 놓습니다. 레이저 시트의 높이 FOV보다 커야합니다. 중심 대상의 마크에 대한 레이저 시트의 높이와 폭 BH의 위치를​​ 조정하고 레이저 캐비티로 다시 여행에서 반사를 다시 유지합니다. 반사를 다시 피하기 위해 필요한 경우 레이저 머리와 BH 사이의 조리개를 놓습니다. 레이저의 전원을 끕니다. L이 데모에서는 광명 장 8 mm와 0.5 mm의 두께는 각각 0.4 엠제이 / 펄스의 펄스 에너지의 높이를 가지고 있었다.
    2. 공간 광 테이블에 제한되어있는 경우, 90 ° 레이저 광 시트를 설정하는 45 ° 고 반사 거울을 배치합니다. 빔 차단을 테이프 또 다른 목표는 캐리어에 빔 차단기를 고정하고 레일에 캐리어를 놓습니다. 미러 후 레일 조립품을 놓습니다. 레이저를 켭니다. 이 레일을 따라 슬라이드로 빛 시트의 중심이 대상에서 한 곳에서 유지 될 때까지 미러에 작은 조정합니다.
    3. 측정 (여기에 설명 예를 들어, 5 kHz에서)의 프레임 속도와 일치하고 최대 설정 전류 레이저를 설정하는 레이저 반복 속도를 설정합니다. BH와 대상 사이에 레일을 놓습니다. 캐리어에 두 번째 빔 차단기를 부착하고 레일 조립품을 놓습니다. 레이저를 켭니다. BH에서 초점의 위치를​​ 결정하기 위해 앞뒤로 캐리어를 밀어 넣습니다. FOC의 위치를​​ 표시BH를 기준으로 알 포인트. 미러를 사용하는 경우, 미러 측정이 상대적으로합니다. 초점에서 레이저 시트의 대략적인 높이를 측정합니다. 레이저의 전원을 끕니다.
  4. 장거리 현미경과 카메라를 장착하고 조정
    1. 장거리 현미경 (LDM) 및 중심 광장과 함께 광장을 사용하여 카메라 구멍의 가로 및 세로 중심선을 표시합니다. 테이블과 LDM 카메라의 수평 중심선 사이의 거리를 측정합니다.
    2. 캐리어에 LDM 및 카메라를 고정하고 LDM 카메라의 수평 중심선이 같은 높이가되도록 같은 와셔 너트 등의 스페이서를 사용합니다. 레일에 LDM 및 카메라를 고정합니다. 적절한 어댑터를 사용하여 LDM와 카메라를 연결합니다. 수평 중심선은 빛 시트의 중심으로 표 위의 같은 거리가되도록 어셈블리의 높이를 조정합니다.
    3. 초점 포에 대한 마크의 앞에 이동 스테이지를 수정빔의 INT. 번역 단계의 운동 빔 전파에 평행하게 될 것입니다. 전체 어셈블리가 빛을 시트에 수직이되도록 번역 단계에 카메라 어셈블리 레일을 고정합니다. 초점 포인트 LDM 카메라의 수직 중심선을 정렬하여 가운데 카메라 어셈블리를.
    4. 컴퓨터와 고속 컨트롤러 (HSC)에 카메라를 연결합니다. HSC에 레이저를 연결합니다. 의 카메라 어셈블리의 캡을 유지하고 PIV 소프트웨어 프로그램 (LaVision 데이비스 7.2)의 강도 보정을 수행합니다.
    5. 소프트웨어 프로그램에서 지속적으로 벌이는 모드로 카메라를 설정하고 카메라 어셈블리의 캡을 제거합니다. 초점 시점에서 조합 사각형을 배치합니다. 통치자의 선명한 이미지의 초점에 올 때까지 레일을 따라 카메라와 LDM 이동합니다. 레일을 따라 카메라와 LDM를 이동하고 카메라 칩은 원하는 필드의보기 (2 걸쳐 때까지 LDM의 초점 막대를 사용하여 초점 사진을 가지고 계속합니다.) 800 × 600 픽셀 칩 2 해당하는 4 × 1.8 mm.
  5. 이 테이블에 평행이되도​​록 장착에 플레이트를 고정하고 초점에 배치. 그것은 컴퓨터의 이미지에서 볼 수 있도록 판을 올립니다. 지속적인 잡아 및 모자 카메라 어셈블리의 전원을 끕니다. 레이저의 전원을 켜고 레이저 광 시트 플레이트의 표면을 따라 연락하게 확인하십시오.

3. 셋업 흐름

  1. 이 데모에서는 PIV는 실리콘 기름 방울의 산란광의 이미지를 기록하여 수행됩니다. 기름 방울은 기름 분무기를 사용하여 만들어집니다. 미립자 필터, 오일 필터, 압력 조정기, 유량계, 기름 분무기 : 공기 공급에 다음 항목을 연결합니다. 강철 튜브에 분무기의 출력을 연결합니다. 마운트를 사용하고 광학 테이블 스틸 튜브를 해결하기 위해 클램프, 테이블 위에 튜브를 올리고 플레이트쪽으로 연출합니다.
  2. 공기 공급 밸브를 엽니 다. 다시 설정시스템을 통해 충분한 흐름을 만들 수> 140 kPa의에 압력 조절기에 압력.
  3. 교류 전원을 켜고 분무기에 분무기 제트기와 바이 패스 밸브를 통해 시딩 밀도를 조정합니다.

4. 셋업 최적화

  1. 소프트웨어 프로그램의 프레임 속도를 입력합니다. HSC는 레이저로 프레임 속도를 일치하는 트리거 신호를 보내고 있는지 확인합니다. 레이저 전원 공급 장치, 반복 속도 및 전류를 (각각 5 kHz에서이 예제 15.5)로 설정합니다. 외부 모드로 레이저를 설정합니다. 레이저는 지속적으로 외부 모드로 전환 또는 다른 레이저가 과열되기 전에 레이저의 반복률 세트를 일치 HSC에서 트리거 신호를 수신해야합니다.
  2. 지속적으로 잡아 레이저를 켜고 분무기를 켜 카메라를 설정합니다. 입자 이미지에 초점이 있는지 확인하기 위해 LDM에 초점 막대를 사용하십시오. 또한 입자 이미지의 강도 캠 포화 있지 않은지 확인시대. 그렇다면, 현재의 레이저를 거절 - 이것은 초점의 위치에 영향을 미칠 것입니다! 레이저 전류가 변경되는 경우 단계 2.3.3과 2.4.3를 반복합니다. 집중 입자의 이미지가 달성 될 때 잡는 모드를 끕니다.
  3. 유효한 속도 데이터를 얻기위한 기록, 검토 및 조정 매개 변수
    1. 흐름의 수백 이미지를 기록합니다. 녹음이 완료되면 시딩 밀도는 32 × 32 픽셀 심문 창 당 8-10 입자의 순서에 있는지, 확인 입자가 8 개 이상의 픽셀을 이동하지 않는 있도록 녹화 된 영상을 확인하고, 이미지의 초점을 확인 . 위의 조건이 충족 될 때까지 반복 4.3.1-4.3.4 단계를 반복합니다.
    2. 입자가 8 개 이상의 픽셀을 이동하는 경우, 8 픽셀 변화의 최대를 달성하기 위해 두 개의 PIV 레이저 펄스 사이의 DT를 감소시킨다. 입자가 실질적으로보다 8 픽셀을 이동하는 경우, 그에 따라 DT 증가합니다. 단일 레이저 PIV 시스템의 경우, DT는 결과적으로 프레임 속도를 변경하여 조정하고 있습니다레이저 반복 속도. PIV는 두 개의 레이저를 사용하는 경우, DT는 두 번째 레이저의 첫 번째 레이저 펄스의 펄스 사이의 시간 지연이다. 조정 DT 문제를 완화하지 않으면, 프레임 속도 및 레이저 반복 속도는 처음 조정할 수있다 그리고 DT 다시 미세 조정해야 할 수도 있습니다.
    3. 이 이미지의 시리즈를 통하여 입자의 그룹을 추적하기 어려운 경우, 아웃 - 오브 - 비행기의 움직임이 너무 많이있을 수 있습니다. 이 문제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있습니다 :) 카메라가 이미징 두꺼운 가벼운 시트가되도록 초점에서 카메라 어셈블리를 오프셋 (offset) b)는 카메라와 빛의 시트면 어셈블리 (사이의 작동 거리를 증가 및 집중 막대를 사용하여 초점 ) 큰 깊이의 초점을 달성하기 위해, 그러나,이 공간 해상도를 줄일 수 있습니다.
    4. 시딩 밀도가 너무 부족한거나 너무 조밀 한 경우, 증가 또는 분무기 제트기의 수를 줄이십시오.

5. 실험 실행하기

  1. camer를을 수행강도에 대한 참조를 설정하는 카메라 어셈블리의 모자와 강도 보정. 교정이 끝나면 캡을 제거합니다.
  2. 최적화 반복 속도 및 전류에 레이저를 설정합니다. 외부 모드로 레이저를 전환하기 전에 레이저가 설정 주파수와 일치하는 연속적인 트리거 신호를 수신해야합니다. 에 레이저를 켜십시오.
  3. 그냥 가벼운 시트 방목 판의 표면 배경 이미지의 순서를 기록합니다. 이러한 이미지를 저장합니다.
  4. 교류 전원을 켜고 흐름이 안정 할 수 있습니다.
  5. 지속적으로 잡고 카메라가 초점을 맞춘 입자 이미지를 수집하고 있는지 확인하도록 카메라를 설정합니다. 연속 글로브 모드를 끕니다.
  6. 이미지의 원하는 번호를 입력하고 레코드를 누릅니다.
  7. 녹음이 완료되면, 흐름과 레이저를 끄십시오. 이미지의 순서를 검토하고 밀도, 입자 이미지 초점 시드, 입자의 이동을 확인합니다. 녹음 만족 또는 다른 단계를 반복하면 5.4-5.7을 저장합니다. 더 많은 실행을 수집하는 단계 5.4-5.7를 반복합니다.
  8. 카메라의 노출 시간 (카메라가 이미지를 수집하는 프레임 당 시간) 증가한다.
  9. 빛의 시트면에 교정 목표를 설정하고 플레이트와 접촉하게해야합니다. 광원 (예 : 손전등)와 뒤에서 목표를 분명히. 연속 그랩 모드에서 카메라로, 촬영 된 이미지의 초점과 왜곡되지 않도록 대상을 조정합니다. 접시와 대상 사이의 접점이 이미지에 표시되어 있는지 확인합니다 -이 이미지에 플레이트의 위치를​​ 결정하는 매우 중요합니다.
  10. 교정 대상의 10 개의 이미지를 기록합니다. 반복 5.9-5.11에게 카메라 어셈블리 또는 초점이 변경 될 때마다 단계를 반복합니다.

6. 자료 처리

  1. 이 데모에 사용 된 PIV 소프트웨어 프로그램은 LaVision 데이비스 8.1이었다. 조정 대상 이미지의 각 세트를 보통. 교정 ROU의 결과 이​​미지를 사용획득 한 이미지의 실제 세계의 치수를 결정하기 위해 가지.
  2. 이미지의 해당 세트에 각 교정을 적용합니다.
  3. 보정 된 이미지에서 판의 위치를​​ 결정합니다. 이 정보는 기하학적 마스크 (6.6 참조) 작성이 필요합니다.
  4. 배경 이미지를 평균. 표면에서 레이저 반사 시드 입자의 강도 계산에 평균 배경 이미지의 강도 계수를 비교하여 배경 소음에 크게 기여할 수 있는지 확인합니다. 벽에 가까운 밝은 레이저 반사 입자 강도보다 강도가 높은 것이다. 이 나쁜 벽 근처 PIV 상관 관계에 영향을하고 벽에 가까운 최초의 믿을 수있는 벡터의 위치를​​ 제한합니다. 이 예에서는, 레이저 반사가 크게 배경에 공헌하지 않았다.
  5. 큰 강도 편차는 제거하는 하이 패스 필터 (배경 필터를 슬라이딩 빼기)를 사용하여 전처리 보정 유량 이미지이러한 레이저의 반사로 배경 화 :. 입자 신호는 작은 강도의 변동을 가지고 필터를 통해 전달합니다.
  6. 기하학적 마스크를 정의 - 플레이트 이미지에있는 위치 벡터 계산을 비활성화하는 직사각형 마스크를 사용합니다. 주 : 지정된 영역 내에서 PIV의 상관 관계를 가능하게 하나의 지정된 영역 내에서 PIV의 상관 관계를 비활성화 한 데이비스는 기하학적 마스크 두 가지 옵션이 있습니다. 지정된 영역 내에서 PIV 알고리즘을 사용하는 마스크는이 데모에 사용되었다.
  7. "고급 마스크 설정"메뉴에서 마스크 (즉, 단지 마스크 내부의 픽셀을 사용하여) 적절히 적용되어 있는지 확인합니다.
  8. 벡터 계산 절차를 지정이 예에서 감소하는 창 크기를 가진 다중 단계 절차를 사용 하였다 - 50 % 64 X 64 픽셀 심문 창을 사용하여 2 초기​​ 패스는 50 %의 중복과 32 × 32 픽셀 심문 창을 사용하여 통과가 3 번 다음에 오버랩 .
  9. 속도 벡터 필드이 데모에서는 사후 처리는 상호 상관 결과의 품질을 개선하기 위해 다섯 개의 서브 루틴을 사용했다 :) 마스크 영구적 확인, b)는 최대 비율 (Q)과 <1.1 벡터를 제거, C)가 적용 중앙값 필터, D) <5 벡터 전자와 그룹을 제거) 채우기 업 벡터를 적용합니다. 최대 비 (Q)는로 정의됩니다 방정식 , P1과 P2는 각각 첫 번째와 두 번째로 높은 상관 관계 피크 위치하며, 분은 상관 평면에서의 최소 값입니다. Q가 벡터의 품질을 평가하기위한 통계입니다. Q는 두 번째로 높은 상관 관계를 피크로 표시되는 일반적인 상관 관계를 배경으로, 최고의 벡터 결과적으로 높은 상관 피크를 비교합니다. 1에 가까운 Q와 벡터는 가장 높은 상관 관계 피크가 거짓 피크 있다는 표시입니다. 다음으로, 중간 필터는 평균 벡터 (U의 중간, V의 중간을 결정벡터와 이웃 벡터 (U RMS, V RMS)의 편차 그룹의). - U RMS ≤ U ≤ U의 중간 + U RMS와 V 중간 - V RMS ≤ V ≤ V 평균 + V RMS U 중앙값 : 중앙값 필터는 중간 벡터 (U, V)는 다음 기준에 맞지 않으면 거부합니다. 또한, 그것은 큰 오버랩이 속도 벡터 계산에 지정된 경우 의사의 벡터 그룹을 얻을 수있다. 따라서, 벡터의 지정된 수보다 적은 벡터의 그룹을 제거 할 수 있습니다. 스퓨리어스 벡터가 제거되면, 벡터 채울가 아닌 이웃 벡터에서 결정 보간 벡터를 빈 공간을 채우기 위해 사용할 수 있습니다. 마지막으로, 영구적으로 마스크를 적용하면 마스크 외부의 경로를 삭제합니다.
  10. 결과의 품질을 평가하는 :) 결과를 수행물리적 의미가? (벽에서 거리가 멀어 속도를 증가 경계 근처에 느린 속도, 즉, 벡터의 방향은 흐름 등의 일반적인 방향을 따라) B) 그 결과 벡터 필드는 대부분 첫 번째 선택 벡터로 구성된다 (로 표시 PIV 처리 소프트웨어). 일반적으로 먼저 선택 벡터의 비율이 95 % 이상하는 것이 좋습니다. 후 처리 단계의 넓은 범위는 문학, 예를 들어 1,2에 설명되어 있습니다.

Representative Results

셋업의 사진은 그림 1에 표시됩니다. 두 개의 연속 촬영 한 이미지에서 벽 근처 32 × 32 픽셀 심문 윈도우의 원료 입자 이미지는 그림 2에 표시됩니다. 그림 2a에있는 입자는 그림 2B의 오른쪽에 2-3 픽셀을 변위와의 평면과 아웃의 평면 입자 변위 심문 창 크기의 ¼을 초과하지 않도록 명시 "한 분 규칙"을 만족하는 . PIV 상관 알고리즘 입자의 그룹을 추적 때문에 또한, 심문 창 당 입자의 밀도는 대략 8-10 입자해야합니다. 그러나 벽 근처 PIV 조사에 파종 밀도는 1-3 입자의 순서에 종종 있습니다. 따라서, 특별한 알고리즘은 이러한 개별 입자에게 1,2,4-6을 추적 입자 추적 유속계 (PTV) 알고리즘으로 낮은 시딩 밀도와 연구를 해결하기 위해 사용되어야한다. 시간 평균 상관 관계 방법7,8도 낮은 시딩 밀도 문제를 해결하는 데 사용할 수 있지만 일반적으로 시간적 해상도의 손실 귀착 될 수 있습니다. 또한, 벽에 가까운 이미지에 악영향을 PIV 상관 관계에 영향을 미치는 거짓 벡터를 생성 할 수 있습니다 밝은 레이저 반사에 의해 영향을받습니다. 이 밝은 반사는 벽 법선 방향 첫 번째 유효한 속도 벡터의 위치를​​ 제한 할 수 있습니다. 원시 입자 이미지를 사전 처리하는 등의 레이저의 반사와 같은 소스에서 배경 잡음의 영향을 줄일 필요가 있습니다. 이 데모에서는 첫 번째 유효한 벡터는 벽에서 23 μm의 위치했다.

원시 입자 이미지가 PIV 상관 알고리즘을 사용하여 처리 한 후 그 결과 속도 벡터 필드의 질과 유효성을 평가해야한다. 가짜 벡터는 원시 벡터 필드에 피할 수 있지만, 몇 가지 구별되는 특징이 있습니다. 잘못된 그림은 빛 시트의 가장자리에서, 표면 근처에 공통이며, 가장자리 오에FA 흐름입니다. 또한 잘못된 벡터의 크기와 방향은 이웃 벡터 크게 다를 물리적 이해가되지 않습니다. 그림 2에서 입자 변위 표시로이 경계층 흐름 예제의 경우, 유효한 속도 벡터는 왼쪽에서 오른쪽으로 가리켜 야합니다. 또한, 속도는 노 슬립 상태 9에 의한 벽 근처 감소한다. 그림 3의 순간 속도 장에서는 이러한 물리적 조건을 모두 맞습니다. PIV 결과의 타당성을 평가하는 또 다른 유용한 메트릭 속도 벡터 필드에 각 벡터의 벡터 선택을 결정하는 것입니다. 일반적으로 벡터 필드> = 95 % 첫 번째 선택 벡터의 강력한 후 처리 알고리즘은 상당한 유물 2를 생산하지 않고 가짜 벡터를 감지하고 대체 할 수 있도록, 아니 사후 처리가 필요 없다는 것을 그 구성해야합니다. 순간 벡터 필드에 표시

고속, 또는 영화, PIV 측정의 중요성은 유동 이미지의 시간 순서의 검사에서 분명해진다. 시작, 중간, 및 기록 시퀀스의 끝에서 순간 속도 (V i) 항 및 속도 변동 (V ') 벡터 필드는 그림 3에 나와 있습니다. 레이놀즈 분해를 사용하여, V 평균 속도 필드 (의 합계입니다 방정식 ) 및 V '10. 이 실험을 위해, 방정식 시간적 순서에있는 모든 이미지를 평균하여 측정 하였다. 순간 벡터 필드를 통해녹음 순서 밖으로 매우 유사하며 왼쪽에서 오른쪽으로 이동 흐름을 보여줍니다. 이러한 결과는 또한 수평 속도 성분 (U)는 수직 속도 성분 (V)보다 훨씬 크기 때문에 흐름이 수평 방향으로 주로임을 나타냅니다. 변동 벡터 필드는 수평 속도 변동 (는 u ') (수직 속도 변동 V)보다 큰'을 나타냅니다. 그러나 변화는 또한 U '가 녹음 순서를 통해 방향을 반전 이후 흐름이 둔화되었음을 나타냅니다.

시간 평균 및 순간 U - 프로파일 녹음 순서에 걸쳐 여러 다른 시간에이 그림 4와 흐름이 시간이 지남에 둔화되어 있는지 확인합니다. U - 프로파일 우리벽에 가까운 결과의 통계적 유의성을 개선하기 위해 함께 인접한 4 개의 벡터 열을 평균하여 결정을 다시. 절차는 이전의 연구 6,8에서 사용되었다. 오차 막대는 인접한 4 개의 벡터의 열 배의 표준 편차를 나타냅니다. 큰 오차 막대는 판의 표면 근처에 발생하고 낮은 시딩 밀도의 영역에 대한 PIV 상관 알고리즘을 사용의 어려움을 재확인. 여러 분석 알고리즘은 같은 PTV 5,6와 시간 평균 상관 관계 방법 7,8의 낮은 시딩 밀도를 해결하기 위해 설계되었습니다.

그림 1
그림 1. 벤치 탑 조립.

그림 2
그림 2. 에서 벽 근처 32 × 32 픽셀의 심문에서 입자 이미지) t = 0.2 밀리 초와 b) t = 0.4 밀리 초. 심문 윈도우의 실제 크기는 96 X 96 μm의이다 2.

그림 3
그림 3의 왼쪽에 :. 순간 (V I), 그리고의 오른쪽 : 시작, 중간, 및 기록 시퀀스의 끝에서 변동 (V ') 속도 필드. 벡터 필드는 첫 번째 선택 벡터의 전적으로 구성되어 있습니다. 벡터 필드의 작은 하위 집합은 명확성을 위해 표시됩니다. V의 i 필드는 동안 V '반대 방향으로 왼쪽에서 오른쪽으로 이동 흐름을 나타냅니다. 수평 방향으로 만 모든 네 번째 벡터 열이 명확하게 표시되어 있습니다. 또한각 이미지의 왼쪽 상단 모서리에 표시된대로, V i와 V '필드 사이의 속도 스케일이 다릅니다.

그림 4
그림 4. 흐름을 통해 서로 다른 시간에 수평 속도 (U) 프로파일. 시간 평균 U - 프로파일은 원으로 표시됩니다. t에 표시 오차 막대는 = 0.1 밀리 초 프로파일은 다른 모든 시간에 대한 오차 막대의 대표입니다. U의 시간의 역사 - 프로필은 시간의 흐름의 감소를 보여줍니다.

Discussion

모든 광학 플로우 측정 기술과 마찬가지로, 고속 입자 영상 유속계 (PIV)의 설치를 계획하는 제약 조건의 평가 및 손 측정 작업에 가장 타협의 평가가 필요합니다. 이미지 확대, 프레임 속도, 레이저 시트 속성 및 분석 알고리즘의 선택은 연구 결과에 따라 흐름의 세부 사항에 따라 달라집니다. 필요한 경우, 탐색 측정은 고 충실도 측정을위한 파라미터 설정을 확인하기 위해 실시해야합니다.

이 문서에서는 일반적인 절차와 평판에 따라 흐름의 경계층을 연구하는 고속 PIV에 대한 몇 가지 샘플 결과를 설명합니다. 500 이미지의 순서는 5 kHz에서 기록되었다. 장거리 현미경 플레이트 표면에 위치한 2.4 X 1.8 mm 2 시야를 달성하기 위해 사용되었다. 종자 기름 방울의 고품질 조명이 빛을 쉬로 확장 된 펄스 다이오드 펌핑 고체 레이저의 빔을 달성했다EET는 빔 균질화를 사용하여. 빔 균질화 작은 원통형 렌즈와 추가 통합 망원경으로 구성된 마이크로 렌즈 어레이를 포함합니다. 마이크로 렌즈 어레이는 빔릿로 분할 수신 빔을 수직 방향으로 원형 빔을 확장합니다. 다음 망원경 빔 전파로 일반 조명 시트 평면에서조차 빛의 강도 분포와 가벼운 시트를 만들 수 빔릿를 중첩. 이미지는 PIV 교차 상관 알고리즘을 사용하여 처리 하였다. 그것은 균질 빔이 표면 근처에서 작업 할 때 특히 유용합니다,하지만 여기에 설명 된 응용 프로그램에 중요하지 주목해야한다.

이 절차에 설명 된 방법은 강력한 상관 관계 알고리즘을 사용하여 흐름의 비 간섭 고해상도, 고속 조사를 할 수 있습니다. 이 고해상도, 고속 측정 기술의 주요 장점은 높은 공간과 시간적 해상도를 식별하고 추적 할 수있는 기능입니다흐름에서 구조의 진화. Alharbi 6 Jainski 등, 이러한 기술을 사용하여. 8 내부 연소 엔진의 경계층 내의 소용돌이 구조를 시각화하고 추적 할 수있는 능력을 증명하고있다. 이러한 주요 기능은 매우 일시적인 흐름의 구조와 역학 조사를 가능하게합니다. 또한, PIV는 (단층 PIV 비행기 (스테레오 PIV)과 볼륨 3 - 구성 요소 (3C) 해결하기 위해 2 차원 두 가지 구성 요소 (2D-2C) 속도 필드 (여기에 설명 된대로) 이상으로 확장 할 수 있습니다 , PIV, 홀로그램 PIV)를 스캔. 또한, PIV는 같은 평면 레이저 유도 형광 (PLIF), 여과 레일리 산란 (FRS) 및 속도와 다른 스칼라 (온도, 종의 농도, 동등한 비율) 11의 동시 2D 측정을 달성하기 위해 열 감지 형광체와 같은 다른 기술로 구현 될 수있다 -14. 이러한 광학, 레이저 기반의 방법은 직접 질량을 조사하기 위해 적용 할 수있는같은 벽 근처 많은 애플리케이션에서 에너지 교환 과정은 내부 연소 엔진에 흐른다.

Disclosures

저자는 공개 아무것도 없어.

Acknowledgments

이 자료는 그랜트 번호 CBET-1032930 아래 미국 국립 과학 재단에서 지원하는 작업에 기초 미시간의 양이 레이저 진단 실험실의 대학에서 수행 한 작업.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High-speed 532 nm Nd:YAG laser Quantronix Model: Hawk I
Long distance microscope ( QM-100) Questar Model: QM-100
High-speed CMOS camera (Phantom v7.3) Vision Research Model: Phantom v7.3
Atomizer (TSI 9306) TSI Model: 9306
Silicone oil Dow Corning CST 510 CST 510 Fluid
Beam homogenizer Fraunhofer Custom made part
45 ° high-reflectivity (HR) 532 nm turning mirror Laser Optik Multiple suppliers
Aperture Multiple suppliers
Calibration target Custom made part
PIV recording and processing software LaVision Software: Da Vis
High-speed controller (HSC) LaVision
Optical rail and carriers Multiple suppliers
Laser beam blocks and traps Multiple suppliers
Mounts for optical elements Multiple suppliers
Translation stage Newport
Metal tubing to create jet flow McMaster-Carr Multiple suppliers
Combination square and centering square Multiple suppliers

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References

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Comments

1 Comment

  1. Are you doing the PIV measurements with lights on? My instructor clearly told me "In PIV measurements the laser should be the ONLY source of light". Is he wrong?

    Reply
    Posted by: Aman J.
    December 11, 2015 - 9:40 AM

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