عالي السرعة الجسيمات Velocimetry صورة قرب السطوح

Engineering
 

Summary

ووصف الإجراء لدراسة تدفقات عابرة قرب الحدود باستخدام عالية الدقة، صورة جسيمات عالية السرعة velocimetry (التعريف الشخصي) هنا. التعريف الشخصية هي تقنية القياس غير تدخلية تنطبق على أي تدفق للوصول بصريا عن طريق تحسين العديد من المعوقات المعلمة مثل الصورة وتسجيل العقارات، وخصائص ورقة ليزر، وخوارزميات التحليل.

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

تدفقات متعددة الأبعاد وعابرة تلعب دورا رئيسيا في العديد من مجالات العلوم، والهندسة، والعلوم الصحية، ولكن غالبا ما تكون غير مفهومة جيدا. يمكن دراسة الطبيعة المعقدة لهذه التدفقات باستخدام الجسيمات الصور velocimetry (التعريف الشخصية)، وهي تقنية التصوير القائم على الليزر لتدفقات الوصول بصريا. على الرغم من العديد من أشكال التعريف الشخصية موجودة بأن يمدد تقنية ما وراء مستو الأصلي ثنائي مكون قدرات قياس السرعة، ويتكون نظام التعريف الشخصية الأساسية لمصدر الضوء (الليزر)، وكاميرا، والجسيمات التتبع، وخوارزميات التحليل. تم تعديل المعلمات التصوير والتسجيل، ومصدر للضوء، وخوارزميات لتحسين تسجيل لتدفق الفائدة وسرعة الحصول على بيانات صحيحة.

مشترك التحقيقات التدبير التعريف الشخصية سرعات ثنائي مكون في طائرة في بضعة إطارات في الثانية الواحدة. قياسات معدل الإطار عالية (> 1 كيلو هرتز) ومع ذلك، فقد سهلت التطورات الأخيرة في الأجهزة قادرة على حل انتقاليةتدفقات الأنف والحنجرة مع القرار الزماني عالية. ولذلك، وقياسات معدل الإطار عالية لديها تحقيقات تمكين على تطور هيكل وديناميات تدفقات عابرة للغاية. هذه التحقيقات تلعب دورا حاسما في فهم الفيزياء الأساسية للتدفقات معقدة.

وتقدم وصفا مفصلا لأداء عالية الدقة وسرعة عالية في مستو التعريف الشخصي لدراسة تدفق عابرة بالقرب من سطح لوحة مسطحة هنا. وترد تفاصيل لتعديل القيود المعلمة مثل الصورة وخصائص التسجيل، وخصائص ورقة ليزر، وتجهيز الخوارزميات على التكيف التعريف الشخصي لأي تدفق من الفائدة.

Introduction

قياسات متعددة الأبعاد للسرعات والقدرة على تتبع مجال تدفق في الوقت توفير المعلومات الهامة في العديد من مجالات العلوم، والهندسة، والعلوم الصحية. من بين التقنيات الأكثر استخداما على نطاق واسع لتصوير تدفق الجسيمات صورة velocimetry (التعريف الشخصي). أنشئت في البداية كأسلوب مستو أن لقطات يقاس من اثنين في الطائرة مكونات السرعة، تم وضع المتغيرات التعريف الشخصية لتوفير قدرات قياس ثلاثي مكون والحجمي. تتكون جميع أنظمة التعريف الشخصي من الجسيمات التتبع، واحد أو أكثر من مصادر الضوء، واحد أو أكثر من الكاميرات. وتستخدم جزيئات صلبة أو قطرات باسم الجسيمات التتبع ولكن يمكن أيضا فقاعات الكامنة في تدفق أن تستخدم جزيئات التتبع. الكاميرا (ق) ثم صورة (صور) متناثرة أو ينبعث الضوء من الجزيئات التتبع بعد والمشع من قبل مصدر الضوء (ق). من بين مجموعة واسعة من الاختلافات 1،2 الأكثر شيوعا يلتقط عنصرين السرعة في طائرة في الفئران(ه) من عدد قليل من لقطة في الثانية. وفي الآونة الأخيرة، والأجهزة الجديدة مكنت قياسات معدل الإطار عالية (> 1 كيلو هرتز) التي تتبع تدفق في النطاقات الزمنية المضطربة في نطاق كيلو هرتز.

التعريف الشخصية يحدد حقل سرعة عن طريق تتبع متوسط ​​حركة الجسيمات مجموعات من زوج من الصور التي تكون مفصولة فترة زمنية معروفة. وينقسم كل صورة إلى الشبكة من نظام التشغيل Windows الاستجواب متباعدة بصورة منتظمة. الأكثر شيوعا الاستجواب حجم الإطار هو 32 × 32 بكسل. خوارزمية يحسب وظيفة عبر الارتباط لكافة إطارات الاستجواب، مما أدى إلى تشريد ناقلات واحد لكل إطار الاستجواب وبالتالي تنتج الشبكة العادية للناقلات. تقسيم حقل متجه الإزاحة التي كتبها تأخير الوقت ثم يحدد مجال ناقل السرعة.

عند التخطيط القياسات التعريف الشخصي من المهم أن ندرك أن عادة اختيار إعدادات التجريبية تمثل حلا وسطا بين المتطلبات المتعارضة. وبعبارة أخرى، فإن التجربةتحتاج الظروف النفسية إلى أن يخطط لها بعناية لالتقاط جوانب تدفق التي هي ذات أهمية للدراسة في متناول اليد. الكتب المطبوعة من قبل Raffel وآخرون. 1 وأدريان وWesterweel 2 توفير ممتازة مناقشات متعمقة من هذه القيود. هنا نسلط الضوء على عدة التي هي الأكثر أهمية في السياق الحالي.

وسيكون اختيار مجال للرؤية (FOV) تعيين نقطة الانطلاق لاختيار المعلمة هنا. عدد وحدات البكسل على رقاقة الكاميرا ثم يحدد القرار المكانية وعدد من ناقلات التي يتم الحصول عليها، على افتراض أن واحد يختار لاستخدام الاستجواب نافذة الأحجام من 32 × 32 بكسل، وغالبا مع التداخل 50٪ خلال الإجراء عبر الارتباط. هو المطلوب كثافة البذر من 8-10 الجسيمات في إطار الاستجواب عموما للمساعدة في وظيفة عبر الارتباط. ومع ذلك، هناك خوارزميات خاصة، مثل الجسيمات velocimetry تتبع (PTV) ونهج الترابط على متوسط ​​الوقت، على أنه يجوزيمكن استخدامها لمعالجة الحالات مع كثافة البذر منخفضة (1-3 جسيمات / نافذة الاستجواب) كما هو الحال مع التصوير قرب السطوح. لاحظ أن تدرجات السرعة داخل كل إطار التحقيق ينبغي أن تكون صغيرة لتجنب التحيز في ناقلات ممثل الناتجة عن تلك النافذة.

وأنشئت سيادة الإبهام هو أن الجسيمات التشريد بين الإطار الأول والثاني يجب أن لا يتجاوز 8 بكسل (¼ من الاستجواب حجم الإطار) للحد من عدد من الخسائر الاقتران (فقدان الجسيمات الصور ضمن إطار الاستجواب من أول الإطار إلى الإطار الثاني) للارتباط. ونتيجة لذلك، فإن الوقت بين اثنين من نبضات الليزر على التوالي (DT) لابد من تعديلها وفقا لذلك. ومع ذلك، فإن تقليص DT أدناه ما يعادل تشريد 8 بكسل تقليل النطاق الديناميكي سرعة لأن الحد الأدنى القرار النهائي هو بناء على أمر من 0.1 بكسل النزوح.

مماثلة إلى 8 بكسل النزوح ثithin الطائرة والتصوير، وأعلى سرعة الجسيمات لا ينبغي أن تجتاز أكثر من ¼ من سمك ورقة الضوء، مرة أخرى لتقليل عدد الخسائر الاقتران. منذ يستخدم التأخير الزمني بين اثنين من نبضات الليزر لضمان أفضل العلاقات المتبادلة داخل الطائرة ورقة ضوء، وسمك الورقة هو متغير في هذا السياق. في حين أن التوحيد من شدة الضوء ليست حرجة كما هو الحال بالنسبة لقياسات القائمة على كثافة مثل مستو الليزر التي يسببها مضان التصوير وهو أعلى قبعة ملف شعاع بالقرب يساعد التعريف الشخصية الجودة، وخاصة بالنسبة للأعلى التصوير القرار.

بشكل عام، بعض الافتراضات حول طبيعة تدفق قيد الدراسة يمكن أن تستخدم كنقطة انطلاق في اختيار المعلمات التجريبية. ثم، قد تكون هناك حاجة استكشافية التجارب لصقل الإعدادات.

هنا نحن تصف كيفية إعداد التجربة التعريف الشخصي الذي يسمح الإطار قياسات التصوير ارتفاع معدل اثنين compone سرعةاليلة مع القرار المكانية التي هي كافية لحل هياكل طبقة الحدود. ويتم إنجاز هذا مع استخدام معدل التكرار عالية TEM 00 الصمام الثنائي ضخ ليزر الحالة الصلبة، المجهر لمسافات طويلة، وارتفاع معدل الإطار كاميرا CMOS. وقد تضمنت أيضا بعض التفاصيل عن التصوير قرب السطوح.

Protocol

1. مختبر السلامة

  1. استعراض الليزر سلامة المواد قبل تشغيل الليزر وضمان أنه قد تم استيفاء متطلبات التدريب.
  2. الحصول على معدات السلامة الصحيح للعمل مع أجهزة الليزر. يجب على كل فرد ارتداء زوج من نظارات السلامة الليزر التي من شأنها منع الليزر الانبعاثات الطول الموجي (ق). تثبيت علامة تحذير خارج المختبر لتدع الآخرين يعرفون عندما ليزر تعمل. شنق الستائر سلامة الليزر حول مقاعد البدلاء البصرية لعزلها عن غيرها من زملاء العمل في مختبر الفضاء المشتركة.
  3. إزالة جميع الساعات والمجوهرات عند العمل مع ليزر.
  4. النظر في مسار شعاع عند إعداد المعدات: نصب المعدات بحيث إجراء تعديلات لن يتطلب الوصول إلى أعلى أو أسفل شعاع.
  5. قراءة دليل ليزر لتحديد كيفية تشغيل الليزر بأمان.
  6. الحفاظ على مستوى العين الخاص للخروج من الطائرة من شعاع ليزر!

2. الفوق مجموعة المتابعة

  1. تحديد ر التكبيرسوف تكون هناك حاجة قبعة لتطبيق واختيار العدسة المناسبة. التكبير (M) ويمكن تحديد بتقسيم طول رقاقة الكاميرا مع طول المقابلة من الملعب للرؤية (FOV). في هذا المثال، طول رقاقة الكاميرا هي 17.6 ملم وطول المقابلة من مجال الرؤية هو 2.4 مم. ولذلك، M = 17.6 ملم / 2.4 مم = 7.33. ويستخدم المجهر لمسافات طويلة هنا لتحقيق هذا فوف أصغر.
    1. أداء بعض الحسابات التقريبية للسرعات المتوقعة في المنطقة القريبة من الجدار. استخدام هذه التقديرات لتحديد معلمات التسجيل، مثل معدل الإطار وتأخير وقت وفقا لمبادئ توجيهية عملية ل1،2 التعريف الشخصية. تحديد الوقت الذي ستستغرقه لجسيم للسفر 8 بكسل. هذا وسوف يحدد زمن التأخير بين كل نبضة ليزر (DT). في السلاسل الزمنية التعريف الشخصية، وسوف 1/dt تحديد ما يلزم من معدل الإطار الكاميرا ويجب أن يكون أصغر من معدل الإطار الأقصى المسموح به من قبل الكاميرا. تعديلات بسيطة على هذه الثوابت قدتكون في وقت لاحق اللازمة لتحسين تدفق تسجيل للحصول على بيانات السرعة العالية الجودة. إذا كان معدل الإطار المطلوب يتجاوز الحد الأقصى لمعدل تكرار الليزر، يمكن استخدام اثنين من أجهزة الليزر لأداء التعريف الشخصية في الإطار المتداخلة المناطق واسطة. على سبيل المثال، معدل الإطار (5 كيلو هرتز) لا يتجاوز معدل تكرار الحد الأقصى من الليزر، وبالتالي هو مطلوب فقط ليزر واحد لأداء التعريف الشخصية في وضع السلاسل الزمنية.
  2. معادلة الليزر وفيما يتعلق بالجدول
    1. تعيين رئيس ليزر في واحدة من نهاية الجدول البصرية مستوى. وضع تفريغ شعاع مباشرة في مسار الشعاع في الطرف الآخر من الجدول.
    2. وضع البصري السكك الحديدية بين رئيس ليزر وتفريغ شعاع. الشريط هدفا لمانع شعاع، وتحديد مانع شعاع إلى حاملة طائرات ووضع الناقل على السكك الحديدية.
    3. تعيين الليزر الحالية إلى الإعداد الحالي منخفض - ما يكفي لعالج بالليزر ولكن ليس بما يكفي لحرق ورقة. بدوره على الليزر، وحرك الناقل ذهابا وإيابا. إجراء تعديلات بسيطة على موقف الاتحاد الوطني للعمال ليزرIL وسط شعاع الليزر يبقى في بقعة واحدة باعتبارها الناقل يتحرك جيئة وذهابا. إصلاح الليزر إلى طاولة البصرية.
    4. قياس ارتفاع مركز شعاع ليزر باستخدام مزيج مربع. إيقاف تشغيل الليزر.
  3. تثبيت الليزر والبصريات ورقة تشكيل
    1. إزالة السكك الحديدية ولكن وضع مانع شعاع مع هدف أمام تفريغ شعاع. بدوره على الليزر، وعلامة بعناية حيث مركز شعاع يضرب الهدف. وضع ورقة تشكيل البصريات، والذي هو شعاع الخالط (BH) يتضمن أيضا ورقة تشكيل تلسكوب في هذه المظاهرة، في مسار الليزر لتشكيل ورقة ليزر. يجب أن يكون ارتفاع ورقة ليزر أكبر من مجال الرؤية. ضبط الموقف من BH إلى مركز الطول والعرض من ورقة ليزر حول علامة على الهدف وللحفاظ على عودة تأملات من السفر مرة أخرى إلى تجويف الليزر. وضع الفتحة بين رئيس ليزر وBH إذا لزم الأمر لتجنب عودة تأملات. إيقاف تشغيل الليزر. لامكان ورقة آيت في هذه التظاهرة على ارتفاع 8 ملم وبسمك 0.5 مم، على التوالي، والطاقة نبض 0.4 ميغا جول / نبض.
    2. إذا كانت المساحة محدودة على الطاولة البصرية، ووضع مرآة 45 ° انعكاسية عالية لتحويل ورقة ضوء الليزر بنسبة 90 درجة. الشريط هدف آخر لمانع شعاع، وتحديد مانع شعاع إلى حاملة طائرات ووضع الناقل على السكك الحديدية. وضع الجمعية السكك الحديدية بعد المرآة. بدوره على الليزر. إجراء تعديلات بسيطة على المرآة حتى وسط الورقة الضوء يبقى في مكان واحد على الهدف لأنها تنزلق على طول السكك الحديدية.
    3. تعيين معدل تكرار الليزر لتتناسب مع معدل الإطار لقياسات (5 كيلو عن المثال مناقشتها هنا) وتعيين ليزر الحالية لإعداد الحد الأقصى. وضع السكك الحديدية بين البوسنة والهرسك والهدف. إرفاق مانع شعاع الثاني إلى الناقل ووضع الجمعية على السكك الحديدية. بدوره على الليزر. حرك الناقل ذهابا وإيابا لتحديد موقع نقطة محورية من البوسنة والهرسك. وضع علامة على موقع للجنة مسؤولي المنتدىآل نقطة نسبة إلى BH. إذا تم استخدام المرآة، وجعل قياس نسبة إلى المرآة. قياس الطول التقريبي للورقة ليزر في النقطة البؤرية. إيقاف تشغيل الليزر.
  4. تركيب وضبط المجهر لمسافات طويلة والكاميرا
    1. بمناسبة centerlines الأفقي والرأسي من المجهر لمسافات طويلة (LDM) وفتحات الكاميرا باستخدام مربع توسيط مربع والجمع. قياس المسافة بين الجدول وcenterlines الأفقي للLDM والكاميرا.
    2. إصلاح LDM والكاميرا لشركات الطيران واستخدام أي الفواصل، مثل غسالات أو المكسرات، بحيث centerlines الأفقي للLDM والكاميرا هي في نفس الارتفاع. إصلاح LDM وكاميرا على السكك الحديدية. إرفاق LDM والكاميرا باستخدام محولات المناسبة. ضبط ارتفاع للجمعية بحيث centerlines الأفقية هي نفس المسافة المذكورة في الجدول كمركز للضوء ورقة.
    3. إصلاح مرحلة الترجمة أمام علامة لص التنسيقالباحث من الحزم. فإن حركة الترجمة مرحلة تكون موازية لنشر شعاع. إصلاح السكك الحديدية مع الجمعية الكاميرا إلى مرحلة الترجمة بحيث الجمعية بأكمله هو عمودي على ورقة ضوء. مركز الجمعية الكاميرا عن طريق مواءمة centerlines العمودي للLDM والكاميرا مع النقطة المحورية.
    4. توصيل الكاميرا إلى الكمبيوتر وحدة تحكم عالية السرعة (شهادة الثانوية العامة). ربط الليزر إلى شهادة الثانوية العامة. الحفاظ على الغطاء من الجمعية الكاميرا على وإجراء معايرة كثافة في البرنامج التعريف الشخصي (LaVision ديفيس 7.2).
    5. في البرنامج ضبط الكاميرا إلى وضع انتزاع مستمر وإزالة الغطاء للجمعية الكاميرا. وضع مربع الجمع في النقطة البؤرية. تحريك الكاميرا وLDM على طول السكك الحديدية حتى صورة واضحة للحاكم يأتي في التركيز. الاستمرار في تحريك الكاميرا وLDM على طول السكك الحديدية وتقريب الصورة إلى التركيز باستخدام التركيز قضيب LDM حتى رقاقة الكاميرا يمتد مجال للرؤية المطلوبة (2.4 × 1.8 مم 2 المقابلة ل× 600 بكسل رقاقة 800).
  5. إصلاح لوحة إلى جبل بحيث يكون موازيا لجدول وضعه في النقطة البؤرية. رفع لوحة بحيث كان مرئيا في الصور على جهاز الكمبيوتر. إيقاف المستمر الاستيلاء وكاب الجمعية الكاميرا. بدوره على الليزر والتأكد من أن ورقة ضوء الليزر يجعل الاتصال على طول سطح اللوحة.

3. تدفق مجموعة المتابعة

  1. في هذه المظاهرة، يتم تنفيذ التعريف الشخصية من خلال تسجيل الصور من الضوء المتناثرة من قطرات زيت السيليكون. يتم إنشاء قطرات النفط باستخدام رذاذ النفط. الاتصال العناصر التالية تصل إلى العرض الجوي: أ جسيمات مرشح، فلتر الزيت، منظم ضغط، كتلة تدفق متر، ورذاذ النفط. وصل الناتج من رذاذ لأنبوب الصلب. استخدام المشبك وجبل لإصلاح أنبوب الصلب إلى طاولة البصرية، ورفع الأنبوب فوق الطاولة وتوجيهها نحو اللوحة.
  2. فتح صمام العرض الجوي. تعيين العودةالضغط على منظم الضغط ل> 140 كيلو باسكال لخلق تدفق كاف من خلال النظام.
  3. بدوره على تدفق وضبط كثافة البذر من خلال الطائرات رذاذ والصمامات الالتفافية على رذاذ.

4. تحسين مجموعة المتابعة

  1. أدخل معدل الإطار في البرنامج. تحقق من أن شهادة الثانوية العامة يتم ارسال إشارة الزناد الذي يتطابق مع معدل الإطار ليزر. على إمدادات الطاقة الليزر، وتعيين معدل التكرار والحالية (5 كيلو هرتز و 15.5 ألف في هذا المثال، على التوالي). ضبط الليزر لوضع خارجي. الليزر يجب أن يتلقى باستمرار إشارة الزناد من شهادة الثانوية العامة الذي يتطابق مع مجموعة معدل الرسوب على الليزر قبل ان ينتقل الى الوضع الخارجي وإلا فإن الليزر ارتفاع درجة الحرارة.
  2. ضبط الكاميرا لانتزاع باستمرار، بدوره على الليزر، وبدوره على رذاذ. استخدام قضيب مع التركيز على LDM للتأكد من الصور الجسيمات هي في التركيز. أيضا التأكد من كثافة الجسيمات الصور ليست تشبع كامعصر. إذا كان الأمر كذلك، رفض الليزر الحالية - وهذا سوف يؤثر على الموقع نقطة محورية! كرر الخطوات 2.3.3 2.4.3 وإذا تم تغيير الحالية الليزر. إيقاف تشغيل الوضع تشد عندما يتم تحقيق الجسيمات الصور مركزة.
  3. سجل ومراجعة وضبط المعلمات من أجل الحصول على بيانات سرعة صالحة
    1. تسجيل عدة مئات من الصور للتدفق. بعد الانتهاء من التسجيل، والتحقق من الصور المسجلة لجعل جزيئات يقين لا تحول أكثر من 8 بكسل، أن كثافة البذر هو في حدود 8-10 جسيمات لكل 32 × 32 بكسل نافذة الاستجواب، والتحقق من التركيز من الصور . كرر الخطوات من 4.3.1-4.3.4 حتى تم استيفاء المعايير السابقة.
    2. إذا كانت الجزيئات تتحول أكثر من 8 بكسل، وانخفاض DT بين اثنين من نبضات الليزر التعريف الشخصية لتحقيق الحد الأقصى من 8 التحولات بكسل. إذا كانت الجزيئات تتغير إلى حد كبير أقل من 8 بكسل، وزيادة دينارا وفقا لذلك. لأنظمة التعريف الشخصي ليزر واحد، يتم ضبط DT عن طريق تغيير معدل الإطار، وبالتاليمعدل تكرار الليزر. لPIV باستخدام اثنين من أجهزة الليزر، DT هو التأخير الزمني بين نبضة من الليزر الأولى ونبض من الليزر الثاني. إذا DT تعديل لا على التخفيف من المشكلة، ومعدل الإطار، ومعدلات الرسوب الليزر قد أول تعديلها ثم DT قد تحتاج إلى يكون على ما يرام ضبطها مرة أخرى.
    3. إذا كان من الصعب تتبع مجموعات من الجسيمات في جميع أنحاء سلسلة من الصور، قد تكون هناك الكثير من الحركة خارج الطائرة. هناك عدة طرق لمعالجة هذه المشكلة: أ) تعويض الجمعية الكاميرا من جهة التنسيق بحيث تكون الكاميرا التصوير ورقة ضوء سمكا؛ ب) زيادة مسافة العمل بين الكاميرا والضوء الجمعية الطائرة ورقة (والتركيز باستخدام قضيب التركيز ) لتحقيق أكبر عمق نطاق التركيز، ومع ذلك، وهذا سوف يقلل من القرار المكانية.
    4. إذا كانت كثافة البذر هو متفرق جدا أو كثيفة جدا، وزيادة أو إنقاص عدد من الطائرات رذاذ.

5. تشغيل التجربة

  1. إجراء CAMERلمعايرة كثافة مع قبعة على الجمعية الكاميرا لتعيين مرجع لشدة. وبمجرد الانتهاء من المعايرة، وإزالة الغطاء.
  2. تعيين الليزر إلى معدل تكرار الأمثل والحالية. قبل أن ينتقل ليزر إلى وضع خارجي، تأكد من أن ليزر يتلقى إشارة الزناد المستمر الذي يتطابق مع تردد مجموعة. تشغيل الليزر على.
  3. تسجيل سلسلة من الصور الخلفية من مجرد الرعي ورقة ضوء سطح اللوحة. حفظ هذه الصور.
  4. بدوره على تدفق والسماح للتدفق لتحقيق الاستقرار.
  5. ضبط الكاميرا لانتزاع مستمر وتحقق أن الكاميرا جمع الصور الجسيمات تركيزا. إيقاف تشغيل الوضع الاستيلاء المستمر.
  6. أدخل في العدد المرغوب فيه من الصور وثم اضغط على سجل.
  7. وبمجرد الانتهاء من تسجيل، وإيقاف تدفق والليزر. استعراض سلسلة من الصور وتحقق التحول الجسيمات، بذر الكثافة، والجسيمات صورة التركيز. حفظ التسجيل إذا كرر الخطوات من 5،4-5،7 راض أو آخر. كرر الخطوات من 5،4-5،7 لجمع المزيد من أشواط.
  8. زيادة وقت التعرض (مقدار الوقت لكل إطار أن الكاميرا جمع الصور) من الكاميرا.
  9. تحديد هدف المعايرة في الطائرة ورقة الضوء وتأكد من أنه يجعل الاتصال مع اللوحة. إلقاء الضوء على الهدف من وراء مع مصدر الضوء (أي مصباح يدوي). مع الكاميرا في وضع الاستيلاء المستمر، وضبط الهدف بحيث الصورة المسجلة هو في التركيز وليس مشوهة. تأكد من أن نقطة الاتصال بين لوحة والهدف واضح في الصورة - وهذا أمر بالغ الأهمية لتحديد مكان وجود لوحة في الصور.
  10. تسجيل 10 صور من هدف المعايرة. كرر الخطوات من 5،9-5،11 في كل مرة يتم تغيير الجمعية الكاميرا أو التركيز.

6. معالجة البيانات

  1. وكان برنامج حاسوبي التعريف الشخصية المستخدمة في هذه التظاهرة LaVision ديفيس 8.1. يبلغ متوسط ​​كل مجموعة من الصور هدف المعايرة. استخدام الصورة الناتجة في معايرة ROUطينة لتحديد الأبعاد الحقيقية في العالم من الصور المكتسبة.
  2. تطبيق كل المعايرة إلى مجموعة من الصور المقابلة.
  3. تحديد موقع لوحة في الصور معايرة. هذه المعلومات ضرورية لخلق قناع هندسية (موضح في 6.6).
  4. متوسط ​​صور الخلفية. تحديد ما إذا كان انعكاسات الليزر من سطح تساهم بشكل كبير في مستوى الضوضاء في الخلفية من خلال مقارنة بحساب شدة من متوسط ​​صورة الخلفية إلى التهم كثافة الجسيمات البذر. سوف انعكاسات الليزر مشرق بالقرب من الجدار لديهم كثافة أعلى من كثافة الجسيمات. وهذا سينعكس سلبا على العلاقات المتبادلة التعريف الشخصية بالقرب من جدار وتحد من موقع أول ناقل موثوق بها أقرب إلى الحائط. في هذا المثال، لم انعكاسات الليزر لا تسهم إلى حد كبير في الخلفية.
  5. قبل عملية تدفق معايرة الصور باستخدام فلتر تمريرة عالية (طرح انزلاق مرشح الخلفية) لإزالة كبير شدة التقلباتستعقد في الخلفية، مثل انعكاسات الليزر. إشارات الجسيمات ديك تقلبات كثافة الصغيرة وسوف تمر من خلال مرشح.
  6. تعريف قناع هندسية - استخدام قناع مستطيل لتعطيل حساب متجه حيث يقع في لوحة الصور. ملاحظة: ديفيس لديه خياران لأقنعة هندسية: واحد التي تمكن الارتباطات التعريف الشخصية داخل المنطقة المحددة واحد الذي يعطل الارتباطات التعريف الشخصية داخل المنطقة المحددة. تم استخدام قناع لتمكين خوارزمية التعريف الشخصية داخل المنطقة المحددة في هذه المظاهرة.
  7. في "قناع المتقدم إعدادات" القائمة، تأكد من تطبيق قناع مناسب (أي استخدام بكسل داخل القناع فقط).
  8. تحديد الإجراء حساب ناقلات: في هذا المثال تم استخدام الإجراء متعددة تمرير مع تناقص حجم نافذة - 2 يمر الأولي باستخدام 64 × 64 بكسل ويندوز الاستجواب مع 50٪ تداخل تليها 3 تمريرات باستخدام 32 × 32 بكسل ويندوز الاستجواب مع 50٪ التداخل .
  9. الحقول ناقل السرعةفي هذه المظاهرة كانت في مرحلة ما بعد معالجتها باستخدام خمسة الوظائف الفرعية لتحسين نوعية النتائج عبر الارتباط: أ) جعل قناع الدائمة؛ ب) إزالة ناقلات مع نسبة الذروة (س) <1.1؛ ج) تطبيق عامل تصفية الوسيط؛ د) إزالة مجموعات مع <5 ناقلات ه) تطبيق ناقلات ملء متابعة. يتم تعريف نسبة الذروة (Q) كما معادلة ، حيث P1 و P2 هي أعلى قمم ارتباط الأول والثاني، على التوالي، والحد الأدنى هو الحد الأدنى لقيمة في الطائرة الارتباط. س هو متري لتقييم نوعية متجه. س يقارن أعلى قمة الارتباط، مما يؤدي في أفضل النواقل، على خلفية الارتباط المشتركة التي يمثلها ثاني أعلى قمة الارتباط. ناقلات مع س القريب 1 هي إشارة إلى أن أعلى قمة الارتباط هو ذروة كاذبة. المقبل، يحدد مرشح الوسط الناقل الوسيط (يو متوسط، والخامس متوسط) من مجموعة من النواقل والانحراف من ناقلات المجاورة (يو RMS، والخامس RMS). مرشح متوسط ​​ترفض ناقلات الأوسط (ش، ت) إذا كان لا يصلح للمعايير التالية: U متوسط ​​- يو RMS ≤ ≤ U U متوسط ​​+ U و V RMS متوسط ​​- V RMS ≤ V ≤ V + V متوسط ​​RMS. بالإضافة إلى ذلك، فإنه من الممكن الحصول على مجموعات من ناقلات زائفة إذا تم تحديد تداخل كبير في حساب ناقل السرعة. وبالتالي، فمن الممكن إزالة مجموعات من ناقلات مع أقل من عدد محدد من النواقل. حالما تتم إزالة ناقلات زائفة، ناقلات تملأ يمكن أن تستخدم لملء المساحات الفارغة مع ناقلات تحدد محرف من ناقلات المجاورة غير صفرية. وأخيرا، سوف تطبيق قناع بشكل دائم حذف أي ناقلات خارج القناع.
  10. تقييم جودة النتائج: أ) هل النتائججعل بالمعنى المادي؟ (أي السرعات أبطأ بالقرب من الحدود، وزيادة سرعات مع زيادة المسافة من الجدار؛ اتجاه ناقلات تتبع الاتجاه العام للتدفق، الخ)؛ ب) تتألف إلى حد كبير حقل متجه الناتجة من ناقلات الخيار الأول (المشار إليها بواسطة برنامج معالجة PIV). عادة فمن المستحسن أن جزء من ناقلات الخيار الأول أن يكون أعلى من 95٪. يوصف طائفة أوسع من خطوات تجهيز آخر في الأدب، على سبيل المثال 1،2.

Representative Results

يتم عرض صورة لمجموعة المتابعة في الشكل 1. وتظهر الصور الجسيمات الأولية ل× 32 بكسل نافذة الاستجواب 32 بالقرب من الجدار من اثنين من الصور التي تم التقاطها على التوالي في الشكل 2. مشردون الجزيئات في 2A ​​الشكل 2-3 بكسل إلى اليمين في الشكل 2B وتلبية "القاعدة ربع"، والتي تنص على أن النزوح الجسيمات في الطائرة وخارج الطائرة يجب ألا يتجاوز ¼ من الاستجواب حجم النافذة . بالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن كثافة الجسيمات في إطار الاستجواب يكون تقريبا 8-10 جزيئات منذ خوارزميات ارتباط التعريف الشخصي تتبع مجموعات من الجزيئات. ومع ذلك، فإن كثافة البذر في شبه جدار التعريف الشخصية التحقيقات في كثير من الأحيان بناء على أمر من 1-3 الجزيئات. وبالتالي، ينبغي أن تستخدم خوارزميات خاصة لمعالجة دراسات مع انخفاض كثافة البذر، مثل الجسيمات تتبع velocimetry (PTV) الخوارزميات التي تتبع الجزيئات الفردية 1،2،4-6. نهج الترابط على متوسط ​​الوقتويمكن أيضا أن تستخدم 7،8 لمعالجة القضايا كثافة البذر منخفض، ولكن هذا يؤدي عادة إلى فقدان القرار الزماني. بالإضافة إلى ذلك، يتأثر التصوير بالقرب من الجدران عن انعكاسات الليزر مشرق التي قد تؤثر سلبا على العلاقات المتبادلة التعريف الشخصية وإنتاج ناقلات كاذبة. الحد من هذه الانعكاسات مشرق أيضا منصب أول ناقل السرعة صالحة في الاتجاه الطبيعي الجدار. قبل معالجة الصور الجسيمات الأولية هو ضروري للحد من تأثير الضوضاء في الخلفية من مصادر مثل انعكاسات الليزر. في هذه المظاهرة كانت تقع أول ناقل صالح 23 ميكرون من الجدار.

بعد تتم معالجة الصور الخام الجسيمات باستخدام خوارزميات ارتباط التعريف الشخصي، ينبغي تقييم جودة وصلاحية الناتج الحقول ناقل السرعة. ناقلات زائفة لا يمكن تجنبها في مجالات ناقلات الخام ولكن هناك عدد قليل من الخصائص المميزة. ناقلات غير صحيحة شائعة قرب السطوح، عند حواف الورقة الضوء، وعلى حواف ستدفق كرة القدم. وبالإضافة إلى ذلك، فإن حجم واتجاه المتجهات غير صالحة تختلف اختلافا كبيرا من ناقلات المجاورة ولن يجعل بالمعنى المادي. في حالة هذه الحدود طبقة تدفق سبيل المثال، يجب على ناقلات سرعة صالحة نقطة واحدة من اليسار إلى اليمين كما تشرد الجسيمات من الشكل 2 تبين. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن تنخفض السرعات بالقرب من جدار نظرا لحالة عدم الانزلاق 9. الحقول السرعة اللحظية هو مبين في الشكل (3) تناسب كلا من هذه المعايير المادية. آخر متري مفيدة لتقييم صحة النتائج التعريف الشخصي هو تحديد خيار متجه من كل ناقلات في مجال ناقل السرعة. بشكل عام، يجب أن مجال ناقلات تتكون من> = 95٪ ناقلات الخيار الأول، أي تلك التي تتطلب أي تجهيز آخر، بحيث قوية خوارزميات مرحلة ما بعد المعالجة يمكن أن تستخدم لكشف واستبدال ناقلات زائفة دون إنتاج القطع الأثرية كبيرة 2. الحقول ناقلات حظية هو مبين في

أهمية عالية السرعة، أو سينمائي، والقياسات التعريف الشخصية يصبح واضحا من إجراء تفتيش لتسلسل زمني من الصور التدفق. وتظهر السرعة اللحظية (V ط) وتقلب سرعة (V ') حقول المتجهات في بداية ووسط ونهاية تسلسل تسجيل في الشكل 3. باستخدام التحلل رينولدز، V i هو مجموع الحقل سرعة بلغ متوسط ​​( معادلة ) وV '10. لهذه التجربة، معادلة تم يحدده زمنيا المتوسط ​​كل الصور في تسلسل. الحقول ناقلات حظية من خلالخارج تسلسل تسجيل متشابهة جدا، وتظهر تدفق الانتقال من اليسار إلى اليمين. وتشير هذه النتائج إلى أن تدفق هو في الغالب في الاتجاه الأفقي منذ عنصر السرعة الأفقية (ش) هو أكبر بكثير من عنصر السرعة العمودية (V). وتشير حقول المتجهات تقلب أيضا أن التقلبات السرعة الافقية (U ') تكون أكبر من تقلبات سرعة عمودي (V'). ومع ذلك، فإن التقلبات تشير أيضا إلى أن تدفق يتباطأ منذ U 'عكس اتجاهه في جميع أنحاء تسلسل تسجيل.

وتظهر ملامح في عدة أوقات مختلفة طوال تسلسل تسجيل في الشكل (4) والتحقق من أن تدفق يتباطأ مع مرور الوقت - تحت متوسط ​​الوقت ولحظية. يو - لمحات نحنإعادة يحدده بمعدل أربعة أعمدة ناقلات المجاورة معا لتحسين الدلالة الإحصائية للنتائج على مقربة من الجدار. تم استخدام الإجراء في الأعمال السابقة 6،8. أشرطة الخطأ تشير إلى ضعف الانحراف المعياري للأعمدة أربعة ناقلات المجاورة. يحدث أكبر شريط خطأ بالقرب من سطح اللوحة ويؤكد صعوبة باستخدام خوارزميات ارتباط التعريف الشخصي للمناطق ذات الكثافة المنخفضة البذر. صممت العديد من خوارزميات تحليل لمعالجة كثافة البذر منخفضة مثل PTV 5،6 ونهج الترابط على متوسط ​​الوقت 7،8.

الشكل 1
الشكل 1. الفوق الجمعية.

الشكل 2
الشكل 2. الصور الجسيمات في 32 × 32 بكسل الاستجواب بالقرب من الجدار في) ر = 0.2 ميللي ثانية وب) T = 0.4 ميللي ثانية. الأبعاد المادية من إطار التحقيق هي 96 × 96 ميكرون 2.

الشكل (3)
الرقم 3 على اليسار: حظية (V I)، وعلى اليمين: تذبذب (V ') الحقول سرعة في بداية ووسط ونهاية تسلسل تسجيل. وتتكون حقول المتجهات تماما من نواقل الخيار الأول. ويرد فرعية أصغر من حقول المتجهات للوضوح. الحقول أنا V تشير إلى تدفق تتحرك من اليسار إلى اليمين في حين V 'الاتجاه المعاكس. يرجى ملاحظة أن يظهر فقط كل عمود ناقل الرابعة في الاتجاه الأفقي للوضوح. بالإضافة إلى ذلك، مقياس سرعة بين ط V والميادين V 'يختلف على النحو المبين في أعلى الزاوية اليسرى من كل صورة.

الشكل 4
الشكل 4. سرعة (U) لمحات أفقي في أوقات مختلفة في جميع أنحاء التدفق. ويظهر ملف تعريف مع الدوائر - الوقت بلغ متوسط ​​يو. أشرطة الخطأ التي تظهر على T = 0.1 ميللي ثانية الشخصي هي ممثل أشرطة الخطأ لجميع الأوقات الأخرى. التاريخ الوقت من U - لمحات يظهر انخفاضا في تدفق مرور الوقت.

Discussion

كما هو الحال مع أي تقنية قياس التدفق الضوئي، التخطيط لإعداد عالية السرعة الجسيمات velocimetry صورة (التعريف الشخصية) يتطلب تقييم المعوقات وتقييم أفضل حلول وسط للمهمة القياس في متناول اليد. اختيار تكبير الصورة، ومعدل الإطار، وخصائص ورقة ليزر، وخوارزميات التحليل تعتمد على التفاصيل من تدفق قيد الدراسة. إذا لزم الأمر، ويجب إجراء القياسات استكشافية لتحديد إعدادات المعلمة لقياس الدقة العالية.

توضح هذه المقالة الإجراءات العامة وبعض النتائج لعينة التعريف الشخصي عالي السرعة لدراسة طبقة الحدود من تدفق على طول لوحة مسطحة. وسجلت سلسلة من 500 صورة في 5 كيلو هرتز. تم استخدام المجهر لمسافات طويلة لتحقيق 2.4 × 1.8 مم 2 حقل من رأي تقع على سطح اللوحة. وقد تحقق إضاءة عالية الجودة من قطرات زيت بذور مع شعاع من نابض الصمام الثنائي ضخ ليزر الحالة الصلبة والتي توسعت في ضوء SHEET باستخدام الخالط شعاع. شعاع الخالط يحتوي على مجموعة عدسة الصغيرة تتكون من عدسات أسطوانية صغيرة وإضافية، تلسكوب متكاملة. مجموعة الصغرى عدسة توسع شعاع دائرية في الاتجاه الرأسي عن طريق تقسيم شعاع الواردة إلى beamlets. ثم التلسكوب التالية تطغى على beamlets لإنشاء ورقة ضوء مع توزيع كثافة الضوء حتى في الطائرة ورقة الضوء الطبيعي إلى انتشار شعاع. تمت معالجة الصور باستخدام خوارزمية التعريف الشخصية عبر الارتباط. وتجدر الإشارة إلى أن شعاع المتجانس هو مفيد، وخاصة عند العمل بالقرب من الأسطح، ولكنها ليست حاسمة لتطبيق الموصوفة هنا.

الطريقة المبينة في هذا الإجراء تمكن غير تدخلية ذات الدقة العالية، والتحقيقات عالية السرعة من التدفقات باستخدام خوارزميات ارتباط قوي. المزايا الرئيسية لهذا عالية الدقة، وتقنية قياس السرعة العالية هي ارتفاع القرار المكانية والزمانية والقدرة على تحديد وتتبعتطور الهياكل داخل التدفق. باستخدام هذه التقنيات، 6 الحربي وJainski وآخرون. وقد أثبتت 8 القدرة على تصور وتتبع هياكل دوامة داخل طبقة الحدود من محرك الاحتراق الداخلي. هذه الملامح الرئيسية تمكينها من التحقيق بشأن هيكل وديناميات تدفقات عابرة للغاية. وعلاوة على ذلك، يمكن توسيع نطاق التعريف الشخصية وراء ثنائي الأبعاد والحقول سرعة ثنائي مكون (2D-2C) (كما هو موضح هنا) لحل 3 مكونات (3C) في طائرة (ستيريو التعريف الشخصية) وبحجم (تصوير الشعاعي الطبقي التعريف الشخصية والمسح الضوئي التعريف الشخصية، المجسم التعريف الشخصي). بالإضافة إلى ذلك، قد يتم تنفيذها التعريف الشخصية مع تقنيات أخرى مثل مستو الليزر التي يسببها مضان (PLIF) وتصفيتها نثر رايلي (FRS)، والمواد الفوسفورية الحراري لتحقيق قياسات 2D في وقت واحد من السرعة وسكالارس الأخرى (درجة الحرارة، وتركيز الأنواع، ونسب التكافؤ) 11 -14. هذه الأساليب البصرية، ويعتمد على الليزر يمكن تطبيقها مباشرة على التحقيق الشامل وعمليات تبادل الطاقة في العديد من التطبيقات، مثل قرب الجدار يصب في محرك الاحتراق الداخلي.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

ويستند هذه المواد على العمل بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية الأميركية تحت المنحة رقم CBET-1032930 والعمل الذي أنجز في جامعة مختبر التشخيص الليزر الكمي ميشيغان.

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