Высокоскоростной скорости Изображения Частиц Рядом Поверхности

Engineering
 

Summary

Методика исследования переходных течений вблизи границы использования с высоким разрешением, высокоскоростной скорости Изображения Частиц (PIV), описано здесь. PIV является ненавязчивым измерительная техника применима к любому оптически доступный поток, оптимизируя ограничения параметров, таких как изображения и записи свойств, свойства лазерного ножа, и алгоритмы анализа.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Многомерный и переходные потоки играют ключевую роль во многих областях науки, техники, здравоохранения и науки, но часто не очень хорошо понял. Сложный характер этих потоков могут быть исследованы с помощью скорости Изображения Частиц (PIV), на основе лазера методом визуализации для оптического доступными потоками. Хотя многие формы PIV существуют, которые расширяют техники за первоначально плоской двухкомпонентной возможности измерения скорости, основной системы PIV состоит из источника света (лазера), камеры, индикатор частиц и алгоритмы анализа. Изображений и запись параметров источника света, а также алгоритмы настроены для оптимизации записи для потока интерес и получить достоверные данные скорости.

Общие PIV исследований мере двухкомпонентной скорости в плоскости, в нескольких кадрах в секунду. Тем не менее, последние разработки в области аппаратуры способствовали высокой частотой кадров (> 1 кГц) измерений в состоянии решить переходЛОР потоки с высоким временным разрешением. Таким образом, высокая скорость измерений кадров позволили исследований по эволюции структуры и динамики сильно переходных потоков. Эти исследования играют важную роль в понимании фундаментальной физики сложных течений.

Подробное описание для выполнения высоким разрешением, высокоскоростной плоских PIV для изучения переходного потока вблизи поверхности плоской пластины представлена ​​здесь. Подробная информация для настройки параметров ограничений, таких как изображения и записи свойства, свойства лазерного листа и алгоритмов обработки адаптировать PIV для любого потока интерес включены.

Introduction

Многомерного измерения скоростей и возможность отслеживать поток поля во времени обеспечивают критически важную информацию во многих областях науки, техники и науки о здоровье. Среди наиболее широко используемых методов визуализации потока скорости Изображения Частиц (PIV). Первоначально создана как плоская техники, измеренной снимки два в плоскости компонент скорости, PIV варианты были разработаны, чтобы обеспечить трехкомпонентные и объемной возможности измерений. Все PIV системы состоят из индикатора частиц, один или более источников света и одну или более камер. Твердые частицы или капли обычно используются в качестве индикатора частиц, а пузырьки присущие поток может также использоваться в качестве индикатора частиц. Камера (ы), то изображение (ы), разбросанных или излучаемый свет от трассирующих частиц после их облучении источником света (с). Среди широкого спектра 1,2 вариаций наиболее распространенным захватывает две компоненты скорости в плоскости у крысые несколько кадров в секунду. Совсем недавно, новые приборы позволили высокой частотой кадров измерений (> 1 кГц), которые следуют в потоке турбулентных масштабах времени в кГц.

PIV определяет поле скоростей путем отслеживания среднее движение частиц группы из пары изображений, которые отделены друг от друга известными задержки. Каждое изображение разбивается на сетку равномерно расположенных окон допроса. Наиболее распространенный размер допроса окна составляет 32 х 32 пикселей. Алгоритм вычисляет функции взаимной корреляции для всех опроса окна, в результате чего один вектор смещения на опрос окно и, следовательно, образует на его поверхности сетки векторов. Разделив поля вектора смещения по времени задержки затем определяет векторное поле скоростей.

При планировании PIV измерений важно понимать, что обычно выбор экспериментальных условиях является компромиссом между противоречивыми требованиями. Иными словами, экспериментпсихических состояний необходимо тщательно планируется охватить аспекты потока, которые имеют значение для изучения под рукой. Книги Raffel соавт. 1 и Адриан и Westerweel 2 обеспечивают отличную углубленное обсуждение этих ограничений. Здесь мы выделяем несколько, которые являются наиболее важными в данном контексте.

Выбор поля-обзора (FOV) установит отправной точкой для выбора параметров здесь. Количество пикселей в камере чип затем определяет пространственное разрешение и число векторов, которые получаются при условии, что один выбирает для использования опроса окно размером 32 х 32 пикселей, часто с 50% перекрытием во взаимной корреляции процедуры. Плотности посева 8-10 частиц на опрос окно обычно желательно, чтобы помочь функции взаимной корреляции. Тем не менее, существуют специальные алгоритмы, такие как частицы отслеживания велосиметрии (PTV) и усредненной по времени подхода корреляции, которые могутбыть использованы для решения ситуации с низкой плотностью посева (1-3 частицы / допросе окне), как и в случае с изображениями вблизи поверхности. Обратите внимание, что градиенты скорости в каждом допросе окна должны быть небольшими, чтобы избежать смещения в полученном векторе являются репрезентативными для данного окна.

Установленному правилу большой палец в том, что смещений частиц между первым и вторым кадром не должно превышать 8 пикселей (¼ от размера окна опроса), чтобы уменьшить количество сопряжения потери (потери изображения частиц в пределах опроса окно с первой рамы ко второй раме) для корреляции. Как результат, время между двумя последовательными импульсами лазерного (дт) должна быть скорректирована соответствующим образом. Однако уменьшение дт ниже эквивалента 8 пикселей перемещений снизит скорость динамического диапазона, так как нижний предел конце разрешение составляет порядка 0,1 пиксель перемещения.

Как и в 8 пикселей перемещение шithin плоскости изображения, высокие скорости частиц не должна пересекать более ¼ свет толщина листа, снова уменьшить количество спаривания потерь. Со времени задержки между двумя лазерными импульсами используется для обеспечения лучшего корреляции в свете плоскости листа, толщина листа является переменной в данном контексте. В то время как равномерность интенсивности света не так критично, как и для интенсивности на основе измерений, таких как плоские лазерно-индуцированной флуоресценции 3, рядом шляпообразных профиль пучка помогает PIV качества, особенно для более высокого разрешения изображений.

В общем, некоторые предположения о характере потока под исследования могут быть использованы в качестве отправной точки при выборе параметров эксперимента. Затем, Исследовательские эксперименты могут быть необходимы для уточнения параметров.

Здесь мы опишем, как настроить PIV эксперимента, который позволяет с высокой частотой кадров изображение двух измерениях скорости ComponeНТС с пространственным разрешением, что является адекватным для разрешения структуры пограничного слоя. Это достигается с использованием высокой частотой повторения ТЕМ 00 с диодной накачкой твердотельный лазер, междугородной микроскопом, и высокая частота кадров CMOS камеры. Несколько деталей изображения на поверхности вблизи, также включены.

Protocol

1. Лаборатории по технике безопасности

  1. Обзор лазерной безопасности материала перед использованием лазерных и убедиться, что требования к профессиональной подготовке были выполнены.
  2. Получить правильное оборудование для обеспечения безопасности при работе с лазерами. Каждое лицо должно носить пару лазерные защитные очки, которые будут блокировать излучение лазера длина волны (с). Установить предупреждающий знак за пределами лаборатории, чтобы дать другим знать, когда лазер работает. Повесьте шторы лазерной безопасности вокруг оптической скамьи, чтобы изолировать его от других сотрудников в общий класс пространстве.
  3. Удалите все часы и ювелирные изделия при работе с лазерами.
  4. Рассмотрим пути луча при настройке оборудования: установка оборудования, чтобы внося изменения не потребуют достижения выше или ниже пучка.
  5. Читать лазерно ручном чтобы определить, как работать с лазерным безопасно.
  6. Держите уровне глаз из плоскости лазерного луча!

2. Настольная настройка

  1. Определить увеличение Tшляпа будет, необходимых для применения и выберите соответствующую линзу. Увеличение (M) может быть определен делением длины камеры чип с соответствующей длины поля-обзора (FOV). В этом примере расстояние камеры чип 17,6 мм и соответствующей длины FOV составляет 2,4 мм. Таким образом, М = 17,6 мм / 2,4 мм = 7,33. Длинные расстояния микроскоп используется здесь для достижения этого меньше поле зрения.
    1. Выполнить некоторые грубые расчеты ожидаемой скорости в пристеночной области. Использование этих оценок для определения записи параметров, таких как частота кадров и временной задержки в зависимости от практического руководства по PIV 1,2. Определите время, которое потребуется для частицы путешествовать 8 пикселов. От этого будет зависеть время задержки между лазерным импульсом (DT). В временных рядов PIV, 1/dt будет определить необходимые частоты кадров камеры и должна быть меньше, чем максимальная частота кадров разрешено камеры. Небольшие корректировки в эти параметры могутпозже необходимо оптимизировать поток записи для получения данных с высокой скоростью качества. Если требуемая частота кадров превышает максимальную частоту повторения лазер, два лазера может быть использован для выполнения PIV в кадр трансграничных режиме. В этом примере частота кадров (5 кГц) не превышает максимальную частоту повторения лазерного и, следовательно, только один лазер должен выполнять PIV во временных рядах режиме.
  2. Выровнять лазера по таблице
    1. Установка лазерной головкой на одном конце уровня оптических таблице. Поместите луч свалки непосредственно на пути луча на другом конце стола.
    2. Поместите оптический железнодорожного сообщения между лазерной головкой и луч свалку. Лента цели лучом блокатора, исправить луч окон, чтобы перевозчика и несущую на железной дороге.
    3. Установите тока лазера на низкую текущую настройку - достаточно, чтобы Ласе, но не достаточно, чтобы сжечь лист бумаги. Включите лазер и вытащите контейнер назад и вперед. Внести незначительные изменения в ЕНТ положение лазернойиль центра лазерный луч остается в одном месте, как носитель движется вперед и назад. Исправить лазерном к оптическому столу.
    4. Измерение высоты центра лазерного луча с использованием комбинации площади. Выключите лазер.
  3. Установка лазерной плоскости формирующей оптикой
    1. Удалить рельс но поместить луч блокатор с целевым перед луча свалку. Включите лазерный и тщательно отметить, где центре луча попадает в цель. Поместите лист формирующей оптикой, которая является пучком гомогенизатор (BH), который также включает формирования листа телескоп в этой демонстрации, в лазерного луча для формирования лазерного листа. Высота лазерного лист должен быть больше, чем угол обзора. Отрегулируйте положение BH к центру высоты и ширины листа о лазерной метки на цель и утаить отражений от путешествия обратно в резонатор лазера. Разместите отверстие между лазерной головкой и BH, если необходимо, чтобы избежать обратных отражений. Выключите лазер. LРАВО лист в этой демонстрации имели высоту 8 мм и толщиной 0,5 мм, соответственно, и энергии импульса 0,4 мДж / импульс.
    2. При ограниченном пространстве на оптическом столе, поместите 45 ° высокой отражательной зеркало поворачивают лист лазерного света на 90 °. Лента другую цель к балке блокатор, исправить луч окон, чтобы перевозчика и несущую на железной дороге. Поместите рейку за зеркалом. Включите лазер. Внести незначительные изменения в зеркало, пока центр светового листа не остается в одном месте на цель, как он скользит по направляющей.
    3. Установите частоту повторения лазерных чтобы соответствовать частоте кадров для измерений (5 кГц для примера обсуждается здесь) и установить тока лазера на максимальном уровне. Наведите железнодорожного сообщения между БиГ и цель. Прикрепите вторую блокатор луч на перевозчика и сборку на железной дороге. Включите лазер. Вытащите контейнер назад и вперед, чтобы определить положение фокальной точки от ЧД. Отметьте местоположение ВОКаль точки относительно BH. Если зеркало используется, сделать измерения относительной к зеркалу. Измерьте приблизительную высоту лазерной плоскости в точке фокуса. Выключите лазер.
  4. Установите и отрегулируйте длинные расстояния микроскопа и камеры
    1. Отметить горизонтальных и вертикальных осевых линий междугородной микроскопе (LDM) и камеры отверстия помощью центрирования площади и комбинации площади. Измерить расстояние между столом и горизонтальным осевые LDM и камерой.
    2. Закрепить LDM и камерой носителей и использовать любые прокладки, такие как шайбы или гайки, так что горизонтальные осевые линии LDM и камеры на той же высоте. Исправить LDM и камерой на железной дороге. Прикрепить LDM к фотокамере с помощью соответствующих адаптеров. Отрегулировать высоту сборки так, что горизонтальные осевые линии находились на одинаковом расстоянии над столом как центр света листа.
    3. Исправить перевод сцене перед знаком для фокусного POИНТ луча. Движение перевод этап будет параллельна распространения пучка. Закрепить рельс с камерой в сборе на этапе трансляции, так что весь узел перпендикулярно к свету листа. Центр камерного блока, совместив вертикальные осевые линии LDM и камеры с координатором.
    4. Подключите камеру к компьютеру и высокоскоростного контроллера (HSC). Подключите лазер HSC. Держите крышку камеры на сборку и выполнить калибровку интенсивности в программу PIV программное обеспечение (LaVision Дэвис 7.2).
    5. В программном обеспечении установить камеру в режим непрерывной Возьмите и снимите крышку блок камеры. Наведите сочетание площади в координационный центр. Переместить камеру и LDM вдоль рельса до четкое изображение правителя не сфокусируется. Продолжайте двигать камеру и LDM вдоль рельса и принести фотографию в фокус с помощью фокусировки стержня LDM, пока камера не охватывает чип нужного поля-обзора (2.4 х 1,8 мм 2 соответствует 800 х 600 пикселей чипом).
  5. Исправить пластину крепления так, чтобы она параллельно столу и поместить его в фокусе. Поднимите пластину так, чтобы он был виден в изображения на компьютере. Выключите непрерывного захвата и крышки блок камеры. Включите лазер и убедитесь, что лист лазерного света вступает в контакт вдоль поверхности пластины.

3. Поток настройка

  1. В этой демонстрации, PIV выполняется записи изображения рассеянного света от капель силиконового масла. Капли масла создаются с использованием масла форсунки. Подключите следующие пункты до воздуха: сажевый фильтр, масляный фильтр, регулятор давления, массовый расходомер, и нефть форсунки. Соединение выходе форсунки к стальной трубке. Используйте крепления и зажим для фиксации стальной трубы с оптическим столом, поднять трубку над столом и направлять ее к плите.
  2. Откройте клапан подачи воздуха. Установите заднююДавление на регулятор давления до> 140 кПа создать достаточный поток через систему.
  3. Включите потока и регулировки плотности посева через форсунки струи и перепускные клапаны на форсунки.

4. Оптимизация Настройка

  1. Введите частоту кадров в программе. Убедитесь, что HSC посылает сигнал, который соответствует частоте кадров в лазере. На питание лазер, установите частоту повторения и тока (5 кГц и 15,5 в этом примере, соответственно). Установите лазер в режим внешнего. Лазер должен непрерывно принимать сигнал запуска от HSC, которой соответствует набор частоты повторения на лазерном перед переключением в режим внешнего, либо лазер будет перегреваться.
  2. Установите камеру непрерывно захватить, включите лазер, и включите форсунки. Используйте фокусировки стержня на LDM, чтобы убедиться, изображения частиц находятся в фокусе. Также убедитесь, что интенсивность изображения частиц не насыщая камеройэры. Если это так, убавьте тока лазера - это повлияет на расположение очагов точку! Повторите шаги 2.3.3 и 2.4.3, если тока лазера изменяется. Отключите режим захвата изображения при фокусировке частиц достигаются.
  3. Запись, просмотра и настройки параметров для получения достоверных данных скорости
    1. Запись нескольких сотен изображений потока. После завершения записи, проверки записанного изображения, чтобы убедиться частиц не сдвигаются более 8 пикселов, что плотность посева составляет порядка 8-10 частиц на 32 х 32 окно опроса пикселей, и для проверки фокуса изображения . Повторите шаги 4.3.1-4.3.4 до этих критериев не были выполнены.
    2. Если частицы перемещаются более 8 пикселов, уменьшить дт между двумя PIV лазерных импульсов для достижения максимально 8 сдвиги пиксель. Если частицы перемещаются существенно меньше, чем 8 пикселов, увеличение дт соответственно. Для одиночных лазерных систем PIV, DT регулируется путем изменения частоты кадров и, следовательно,Скорость лазерной повторения. Для PIV с помощью двух лазеров, дт является временной задержки между импульсом от первого лазера и импульсом от второго лазера. Если регулировка DT не решит проблему, частоту кадров и цены лазерных повторение может быть скорректирована первой, а затем DT возможно, должны быть доработаны снова.
    3. Если трудно отслеживать групп частиц по всему серию изображений, может быть слишком много вне плоскости движения. Есть несколько способов решения этой проблемы: а) смещение блок камеры от точки фокуса, так что камера является визуализация света толще листа, б) увеличить рабочее расстояние между камерой и легкой сборки плоского листа (и сфокусироваться с помощью фокусировки стержня ) для достижения большей глубины фокуса, однако, это приведет к снижению пространственного разрешения.
    4. Если плотность посева слишком малая или слишком плотными, увеличить или уменьшить количество форсунки струи.

5. Запуск эксперимента

  1. Выполните Камеркалибровка интенсивности с крышкой на блок камеры установить ссылку для интенсивности. После завершения калибровки, снимите крышку.
  2. Установите лазерный оптимизированной частотой повторения и тока. Перед включением лазера на режим внешнего, убедитесь, что лазер получает непрерывный сигнал триггера, который соответствует заданной частоте. Включить лазер.
  3. Записывать последовательность фоновые изображения только светильник листовой поверхности пластины. Сохранить эти изображения.
  4. Включите потока и позволяет потоку стабилизироваться.
  5. Установите камеру непрерывно захватить и убедитесь, что камера сбора сфокусированные изображения частицы. Выключите непрерывном режиме захвата.
  6. Введите в нужном количестве изображений, а затем нажмите Запись.
  7. После окончания записи, выключите потока и лазер. Просмотрите последовательность изображений и проверьте частиц смены, плотность посева, и фокус изображения частицы. Сохраните запись, если удовлетворены либо повторите шаги 5.4-5.7. Повторите шаги 5.4-5.7 собрать больше работает.
  8. Увеличение времени экспозиции (количество времени на кадр, что камера сбора изображений) камеры.
  9. Установить целевой калибровки в свете плоского листа и убедитесь, что он вступает в контакт с пластиной. Осветить цель сзади с источником света (то есть фонарик). С камерой в непрерывном режиме захвата, отрегулируйте так, чтобы цель, что записанное изображение в фокусе и не искажается. Убедитесь, что точка контакта между пластиной и целевой видна на изображении - это очень важно для определения местоположения пластины в изображениях.
  10. Рекордные 10 изображений калибровочного задания. Повторите шаги 5.9-5.11 каждый раз сборки камеры или изменении фокуса.

6. Обработка данных

  1. Программа PIV программного обеспечения, используемого в этой демонстрации было LaVision Дэвис 8.1. Среднем каждый набор изображений калибровки цель. Использование полученного изображения в калибровочном РоуТине определить истинную мира размерам получаемых изображений.
  2. Применять каждый калибровки с соответствующим набором изображений.
  3. Определить местоположение пластины в калиброванных изображений. Эта информация необходима для создания геометрических маску (описанных в 6.6).
  4. Нормальное фоновых изображений. Определить, если лазерный отражений от поверхности вносят значительный вклад в фоновые шумы путем сравнения интенсивности рассчитывает среднего фонового изображения с интенсивностью рассчитывает посева частиц. Яркие отражения лазерного возле стены будет иметь интенсивность выше, чем частицы интенсивности. Это может отрицательно сказаться на PIV корреляции вблизи стенки и ограничивает местоположение первого надежный вектор ближайший к стене. В этом примере Laser Reflections не значительный вклад в фоновом режиме.
  5. Предварительная обработка калиброванный поток изображений с помощью высокочастотного фильтра (вычитание фона скользящий фильтр), чтобы удалить большие флуктуации интенсивностиных в фоновом режиме, такие как лазерная отражений. Частица сигналы имеют небольшие колебания интенсивности и будет проходить через фильтр.
  6. Определение геометрических маска - использовать прямоугольную маску, чтобы отключить вычисление вектора где пластина расположена в изображениях. Примечание: Дэвис два варианта геометрической маски: одну, которая позволяет PIV корреляции в пределах указанного региона, и тот, который отключает PIV корреляции в пределах указанного региона. Маски для того, чтобы алгоритм PIV в пределах указанной области был использован в этой демонстрации.
  7. В "Дополнительно маска Настройки", убедитесь, что маска наносится соответствующим (т.е. только использовать пиксели внутри маски).
  8. Определяет порядок расчета вектора: в этом примере многоходовой процедурой при уменьшении размера окна был использован - 2 начальных проходов с использованием 64 х 64 пикселя окна допроса с 50% перекрытием, а затем 3 проходов с использованием 32 х 32 пикселя окна допроса с 50% перекрытием .
  9. Поля вектора скоростиВ этой демонстрации были после обработки с использованием пяти подпрограмм, чтобы улучшить качество взаимной корреляции результатов: а) принимает постоянное маска, б) Удалите векторов с пиком отношение (Q) <1,1, с) Применение медианного фильтра, г) Удалите группы с <5 векторов е) Применить вектор заполнению. Пик отношение (Q) определяется как Уравнение , Где P1 и P2 являются первой и второй по величине пиков корреляции, соответственно, и мин является минимальным значением в корреляционной плоскости. Q является метрикой для оценки качества вектор. Q сравнивает высокого пика корреляции, что приводит к лучшей вектор, в общем фоне корреляции представлены вторым по величине пика корреляции. Векторы с Q около 1 являются признаком того, что самый высокий пик корреляции является ложный пик. Далее, медианный фильтр определяет векторе медианы медиана, средняя V) Группы векторов и отклонение соседних векторов среднеквадратичное, у эфф.). Медианный фильтр отвергает середине вектора (U, V), если она не соответствует следующим критериям: средний U - U RMS ≤ U ≤ U + U средний RMS и V средний - В эфф ≤ В ≤ V средний + V RMS. Кроме того, можно получить групп ложных векторов, если большое перекрытие указанных в расчете вектора скорости. Таким образом, можно устранить групп векторов с меньшим, чем указанное число векторов. После ложного векторов удаляются, векторные заполнить может быть использован для заполнять пустые пространства с Интерполированные вектора определяется из ненулевых соседних векторов. Наконец, применяя маску постоянно будет удалять любые векторы за пределами маски.
  10. Оценить качество результатов: а) ли результатыимеет физического смысла? (Т.е. меньших скоростей вблизи границы, увеличение скорости с увеличением расстояния от стены; направление векторов следуют общему направлению потока, и т.д.), б) Полученное векторное поле в основном состоит из первого вектора выбор (обозначено Программное обеспечение обработки PIV). Обычно рекомендуется, чтобы доля первого вектора выбор быть выше, чем 95%. Широком диапазоне сообщение шаги обработки описаны в литературе, например, 1,2.

Representative Results

Фотография установки показана на рисунке 1. Необработанные изображения частицы 32 х 32 пикселя допроса окном у стены из двух последовательно снятых изображений показано на рисунке 2. Частицы в рисунке 2а смещаются 2-3 пикселя вправо на рисунке 2b и удовлетворять "одна четверть правило", которое гласит, что в плоскости и вне плоскости смещения частиц не должно превышать ¼ от размера окна допроса . Кроме того, плотность частиц на опрос окно должно быть примерно 8-10 частиц, так как алгоритмы PIV корреляции отслеживать групп частиц. Тем не менее, плотность посева в пристенной PIV исследований часто порядка 1-3 частиц. Таким образом, специальные алгоритмы должны быть использованы для решения исследований с более низкой плотности посева, например, отслеживания частиц велосиметрии (PTV) алгоритмы, которые отслеживают отдельные частицы 1,2,4-6. Усредненных по времени корреляции подход7,8 также может быть использован для решения проблемы низкой плотности посева но это обычно приводит к потере временным разрешением. Кроме того, рядом со стенами изображений подвергается воздействию яркие отражения лазера, который может негативно повлиять на PIV корреляции и дать ложные векторы. Эти яркие отражения также ограничить положение первого действительным вектором скорости в стене нормальном направлении. Предварительная обработка необработанных изображений частиц необходимо уменьшить влияние фоновый шум от источников, таких как лазерные отражений. В этой демонстрации первого действительного вектора находится в 23 мкм от стены.

После необработанных изображений частиц обрабатываются с помощью алгоритмов корреляции PIV, качество и достоверность полученной векторных полей скорости должны быть оценены. Ложные векторов неизбежны в сыром векторных полей, но есть несколько отличительных характеристик. Неправильное векторов являются общими вблизи поверхностей, на краях света листа, а по краям оFA потока. Кроме того, величина и направление вектора недействительным существенно отличаются от соседних векторов и не имеет физического смысла. В случае этого примера поток пограничного слоя, действительные векторы скоростей следует отметить слева направо в виде смещений частиц на рисунке 2 указывают. Кроме того, скорости должна уменьшаться у стены из-за условие прилипания 9. Мгновенного поля скоростей показано на рисунке 3 подходят оба этих физических критериях. Другая полезная метрика для оценки достоверности результатов PIV является определение вектора выбор каждого вектора в поле вектора скорости. В общем, векторное поле должно состоять из> = 95% первого вектора выбора, т.е. те, которые не требуют последующей обработки, так что надежный пост-обработки алгоритмы могут быть использованы для обнаружения и заменить ложный векторов, не вызывая значительное артефакты 2. Мгновенная векторных полей показано на

Значимость высокой скоростью, или кинематографических, измерения PIV становится очевидным из проверки временной последовательности потока изображений. Мгновенная скорость (V г) и скорости колебаний (V ') векторных полей в начале, середине и в конце записи последовательности, показаны на фигуре 3. Используя разложение Рейнольдса, V я является суммой усредненной поле скоростей ( Уравнение ) И V '10. Для этого эксперимента Уравнение определялась временно усреднения всех изображений в последовательности. Мгновенная векторного поляиз записи последовательности очень похожи, и показать поток, движущийся слева направо. Эти результаты также показывают, что поток в основном в горизонтальном направлении с горизонтальной составляющей скорости (и) гораздо больше, чем вертикальная составляющая скорости (об.) Флуктуационных полей векторного также показывают, что горизонтальные колебания скорости (и ') больше, чем вертикальная колебания скорости (V'). Тем не менее, колебания также показывают, что поток замедляется, так и 'меняет свое направление в течение записи последовательности.

Усредненная по времени и мгновенная U - профили в нескольких разное время в течение записи последовательности показаны на рисунке 4 и убедиться, что поток замедляется с течением времени. U - профили мыповторно определяется усреднением четырех соседних столбцах вектора вместе, чтобы улучшить статистическую значимость результатов близко к стене. Процедура была использована в предыдущей работе 6,8. Величина ошибки означает двойное стандартное отклонение из четырех смежных столбцов вектора. Наибольшие погрешности, происходит вблизи поверхности пластины и подтверждает трудности с использованием алгоритмов PIV корреляции для зон с низкой плотностью посева. Несколько алгоритмов анализа предназначены для решения низкой плотности посева, таких как PTV 5,6 и усредненных по времени корреляции 7,8 подходы.

Рисунок 1
Рисунок 1. Настольная сборки.

Рисунок 2
Рисунке 2. Частица изображения в 32 х 32 пикселей опроса вблизи стенки в точке а) т = 0,2 мс и б) т = 0,4 мс. Физические размеры опроса окна являются 96 х 96 мкм 2.

Рисунок 3
Рисунок 3 Слева:. Мгновенным (V I), а справа: колебание (V ') поля скоростей в начале, середине и конце записи последовательности. Векторных полей, состоящий исключительно из первого выбора векторов. Меньший набор векторных полей показан для ясности. V Я поля показывают поток, движущийся слева направо при обратном направлении V '. Обратите внимание, что только каждый четвертый вектор-столбец в горизонтальном направлении показан для ясности. Дополнительно, Масштаб скорости между V я и поля V 'отличается как указано в левом верхнем углу каждого изображения.

Рисунок 4
Рисунок 4. Горизонтальная скорость (U) профилей в разное время в течение потока. Усредненных по времени U - профиль показан с кругами. Планки погрешностей показано на Т = 0,1 мс профилем представитель погрешности для всех других случаях. Время истории и - профили показывает снижение потока с течением времени.

Discussion

Как и в любой оптический метод измерения расхода, планирование установки высокоскоростных скорости Изображения Частиц (PIV), требуется оценка ограничений и оценки лучших компромиссов для измерения задаче. Выбор увеличения изображения, частоту кадров, свойства лазерного ножа, и алгоритмы анализа зависит от деталей исследуемого течения. При необходимости, разведочное измерения должны проводится с целью выявления параметров для измерения высокой точности.

В данной статье описываются общие процедуры и некоторые результаты выборки для высокоскоростного PIV для изучения пограничного слоя потока вдоль плоской пластины. Последовательность 500 изображений был записан в 5 кГц. Междугородной микроскоп был использован для достижения 2,4 х 1,8 мм 2 поля-обзора расположена на поверхности пластины. Высокое качество освещения капель масла была достигнута с луч от импульсной диодной накачкой твердотельный лазер, который был расширен в свет шEET с использованием пучка гомогенизатор. Луч гомогенизатора содержит микро-линз состоят из маленьких цилиндрических линз и дополнительной, комплексной телескоп. Микро-линз расширяет кругового пучка в вертикальном направлении путем разделения входящего пучка в бимлеты. Тогда следующие телескопа накладывает бимлеты создать легкий лист с даже свет распределение интенсивности света в плоскости листа нормально распространения пучка. Изображения были обработаны с использованием PIV кросс-корреляции алгоритма. Следует отметить, что гомогенизированный луч полезны, особенно при работе вблизи поверхности, но это не критично для приложений, описанных здесь.

Методу, описанному в этой процедуре позволяет ненавязчивым высоким разрешением, высокоскоростной исследования потоков с использованием надежных алгоритмов корреляции. Основными преимуществами этого высокого разрешения, высокоскоростной измерительной техники являются высоким пространственным и временным разрешением и возможностью для выявления и отслеживанияэволюции структуры внутри потока. С помощью этих методов Alharbi 6 и Jainski соавт. 8 продемонстрировали способность визуализировать и отслеживать вихревые структуры в пограничном слое двигателя внутреннего сгорания. Эти ключевые функции позволяют Исследования по структуре и динамики сильно переходных потоков. Кроме того, PIV может быть расширен за двумерным, двухкомпонентные (2D-2С) поля скоростей (как описано здесь), чтобы разрешить 3-компонентов (3C) в плоскости (стерео-PIV) и в объеме (томографических PIV , сканирование PIV, голографические PIV). Кроме того, PIV может быть реализовано с другими методами, такими как плоские лазерно-индуцированной флуоресценции (PLIF), фильтруют рэлеевского рассеяния (FRS) и термографические люминофоров для достижения одновременного 2D измерений скорости и других скаляров (температуры, концентрации видов, эквивалентных отношений) 11 -14. Эти оптические, лазерные методы могут быть непосредственно применены для исследования массы иэнергии обменных процессов во многих приложениях, таких как пристеночной протекает в двигателе внутреннего сгорания.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Этот материал основан на работе, поддержанной Национальным научным фондом США по гранту № CBET-1032930 и выполняемых работ в университете Количественные лазерной лаборатории Мичигана диагностики.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Raffel, M. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Springer. Berlin. (2007).
  2. Adrian, R. J., Westerweel, J. Particle image velocimetry. Cambridge University Press. New York. (2011).
  3. Sick, V. High speed imaging in fundamental and applied combustion research. Proceedings of the Combustion Institute. 34, (2), 3509-3530 (2013).
  4. Prasad, A. K. Particle image velocimetry. Current Science (Bangalore). 79, (1), 51 (2000).
  5. Stitou, A., Riethmuller, M. L. Extension of PIV to super resolution using PTV. Measurement Science & Technology. 12, (9), 1398-1403 (2001).
  6. Alharbi, A. Y., Sick, V. Investigation of boundary layers in internal combustion engines using a hybrid algorithm of high speed micro-PIV and PTV. Experiments in Fluids. 49, (4), 949-959 (2010).
  7. Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields. Journal of Fluids Engineering. 122, (2), 285 (2000).
  8. Jainski, C., Lu, L., Dreizler, A., Sick, V. High-Speed Micro Particle Image Velocimetry Studies of Boundary-Layer Flows in a Direct-Injection Engine. International Journal of Engine Research. (2012).
  9. White, F. M. Fluid mechanics. McGraw-Hill. New York. 864 (2008).
  10. Pope, S. B. Turbulent Flows. Cambridge University Press. Cambridge. 771 (2000).
  11. Most, D., Leipertz, A. Simultaneous Two-Dimensional Flow Velocity and Gas Temperature Measurements by use of a Combined Particle Image Velocimetry and Filtered Rayleigh Scattering Technique. Applied Optics. 40, (30), 5379 (2001).
  12. Omrane, A., Petersson, P., Aldén, M., Linne, M. A. Simultaneous 2D flow velocity and gas temperature measurements using thermographic phosphors. Applied Physics B. 92, (1), 99-102 (2008).
  13. Someya, S., Li, Y., Ishii, K., Okamoto, K. Combined two-dimensional velocity and temperature measurements of natural convection using a high-speed camera and temperature-sensitive particles. Experiments in Fluids. 50, (1), 65-73 (2010).
  14. Peterson, B., Reuss, D. L., Sick, V. High-speed imaging analysis of misfires in a spray-guided direct injection engine. Proceedings of the Combustion Institute. 33, (2), 3089-3096 (2011).

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

Post a Question / Comment / Request

You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

Usage Statistics