表面近くの高速粒子画像流速

Engineering
 

Summary

高分解能、高速の粒子画像流速(PIV)を用いて境界の近くに一時的なフローを研究するための手順は、ここで記載されている。 PIVは、画像と記録特性、レーザシートのプロパティ、および分析アルゴリズムなど、いくつかのパラメータ制約を最適化することによって、任意の光学的にアクセス可能なフローに適用可能な非侵入的測定技術である。

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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

多次元と過渡流れは、科学、工学、健康科学の多くの分野で重要な役割を果たしているが、しばしば十分に理解されていない。これらのフローの複雑な性質は、粒子画像流速(PIV)、光学的にアクセス可能なフローのレーザーベースのイメージング技術を用いて研究することができる。 PIVの多くの形態は、元の平面の二成分速度測定能力を越えて延在する技術が存在するものの、基本的なPIVシステムは、光源(レーザ)、カメラ、トレーサー粒子と、解析アルゴリズムで構成されている。撮像記録パラメータと、光源、およびアルゴリズムは、関心の流れの録画を最適化し、有効な速度データを得るために調整される。

毎秒数フレームで面における共通のPIV調査対策二成分速度。しかし、計測における最近の進展は、遷移を解決可能な高フレームレート(> 1 kHz)の測定を容易にしていますENTは、高時間分解能で流れている。したがって、高フレームレートの測定は非常に過渡流れの構造とダイナミクスの進化に調査を有効にしている。これらの調査は、複雑なフローの基礎物理を理解する上で重要な役割を果たしています。

平板の表面近傍過渡流れを研究するために、高解像度、高速平面PIVを実行するための詳細な説明は、ここで提示される。関心のある流れのためPIVを適合させるため、画像と記録特性、レーザシートのプロパティ、および処理アルゴリズムなどのパラメータ制約を調整するための詳細が含まれる。

Introduction

多次元速度の測定値と時間で流れ場を追跡する能力は、科学、工学、健康科学の多くの分野で重要な情報を提供します。流イメージングのために最も広く使用される技術の中で、粒子画像流速(PIV)である。最初に速度成分面内の2つの測定されたスナップショットは、PIV変異体は、3つの成分と体積測定機能を提供するために開発されてきた平面技術として確立した。すべてのPIVシステムは、トレーサー粒子、1つ以上の光源、および1つまたは複数のカメラから構成される。固体粒子又は液滴は、一般にトレーサー粒子として使用されているが、フローに固有の気泡はまた、トレーサー粒子として用いることができる。次いで、カメラ(複数可)の画像(単数または複数)は、光源(複数可)によって照射された後、トレーサ粒子からの散乱又は放射された光。バリエーション1,2の広い範囲の中で最も一般的なものは、ラットで平面に2速度成分を捕捉毎秒数フレームのE。最近では、新たな計装はkHzの範囲内の乱流の時間スケールでの流れに従った高フレームレートの測定を(> 1 kHz)を可能にしました。

PIVは、既知の時間遅延によって分離されている画像のペアから粒子群の平均の動きを追跡することによって速度場を決定します。各画像は、等間隔の呼掛け窓の格子に分割される。最も一般的な呼掛けウィンドウサイズは32×32ピクセルである。アルゴリズムは、呼掛けウィンドウごとに変位ベクトルを生じる、すべての呼掛けのウィンドウの相互相関関数を計算し、したがって、ベクトルの規則的な格子を生成する。時間遅延によって変位ベクトル場を分割​​することは、その後の速度ベクトル場を決定します。

PIV計測を計画するとき、それは一般的に実験的な設定の選択は、相反する要件の間の妥協であることを認識することが重要です。言い換えれば、実験精神状態を慎重手元研究のために重要である流れの態様を捕捉する計画する必要がある。ラッフェル 1とエイドリアンとWesterweel 2によって本は、これらの制約の優れた徹底的な議論を提供します。ここでは、現在のコンテキストの中で最も重要であることをいくつかを強調表示します。

視野(FOV)の選択は、ここでパラメータ選択のための出発点を設定します。カメラチップ上の画素数は、1つは、多くの場合、相互相関手順の間に50%のオーバーラップを32×32画素の呼掛けウィンドウサイズを使用することを選択したと仮定すると、空間分解能が得られるベクトルの数を決定する。呼掛けウィンドウごと8-10粒子の播種密度は、一般に、相互相関関数を補助することが望ましい。しかし、その可能性があり、粒子追跡流速(PTV)と時間平均相関アプローチなどの特殊なアルゴリズムでは、ある表面近くの撮像の場合と同様、低播種密度(1-3粒子/呼掛けウィンドウ)を有する状況に対処するために使用する。各尋問ウィンドウ内で速度勾配がそのウィンドウの結果の代表ベクトルの偏りを避けるために小さくする必要があることに注意してください。

確立された経験則は、第1および第2のフレームとの間の粒子変位がペアリング損失(第からの質問窓内で粒子画像の損失の数を減らすために8画素(¼呼掛けウィンドウサイズ)を超えてはならないということである相関二フレームにフレーム)。結果として、2つの連続するレーザーパルス(dt)は間の時間はそれに応じて調整しなければならない。下端解像限界は0.1画素ずれの程度であるので、8画素変位に相当する下dtの削減は速度ダイナミック·レンジを減少させる。

8ピクセル変位wのと同様に、撮像面ithinは、最高速度粒子は、ペアリング損失の数を減らすために、再び光板厚の4分の1以上を横断してはならない。つのレーザパルス間の時間遅延は、光シート面内の最高の相関関係を確認するために使用されているので、シートの厚さは、このコンテキストでは可変である。光強度の均一性は、それがそのような平面レーザ誘起蛍光イメージング3、近くにトップハットビームプロファイルとしての強度ベースの測定用ですほど重要ではないですが、特に高分解能イメージングのために、PIVの品質を支援します。

一般的には、調査中の流れの性質に関するいくつかの仮定は、実験パラメータの選択の出発点として使用することができる。その後、探索実験が設定を調整するために必要とされるかもしれません。

ここで我々は2つ​​の速度componeの高フレームレートイメージング測定が可能PIV実験をセットアップする方法について説明境界層の構造を解決するのに十分である空間分解能でNTS。これは、高繰返し率を用いて達成されるTEM 00ダイオード励起固体レーザー、長距離顕微鏡、およびハイフレームレートCMOSカメラ。表面近くイメージングに関するいくつかの詳細も含まれています。

Protocol

1。ラボ安全

  1. レビューレーザー安全レーザーを操作する前に、材料とトレーニング要件が満たされていることを確認してください。
  2. レーザーを使用するための正しい安全装置を入手。すべての個人は、レーザの発光波長(複数可)をブロックするレーザー安全ゴーグルを着用しなければならない。レーザーが動作しているときに他の人が知っているように研究室の外に警告サインをインストールします。共有のラボスペースで同僚他からそれを分離するために光学ベンチの周りにレーザー安全カーテンを掛ける。
  3. レーザーで作業するときに、すべての時計や宝石を削除します。
  4. 機器を設定するときのビーム経路を考えてみます調整はビームの上または下に達する必要はありません作るように機器を設定します。
  5. 安全にレーザーを操作する方法を決定するために、レーザー取扱説明書をお読みください。
  6. レーザービームの平面からあなたの目の高さを保つ!

2。ベンチトップセットアップ

  1. 倍率tを決定する帽子は、アプリケーションのために必要かつ適切なレンズを選択します。倍率(M)は、視野(FOV)の対応する長さのカメラチップの長さで割ることによって決定することができる。この例では、カメラチップの長さが17.6ミリメートルであり、FOVの対応する長さ2.4 mmである。したがって、M = 17.6ミリメートル/ 2.4ミリメートル= 7.33。長距離顕微鏡はこの小さいFOVを達成するために、ここで使用されています。
    1. 壁近傍地域で予想される速度のいくつかの大まかな計算を実行します。このようなフレームレートとPIV 1,2のための実用的なガイドラインに従って時間遅延として記録パラメータを決定するためにこれらの推定値を使用します。それは8ピクセルを移動する粒子のためにかかる時間を決定します。これは、各レーザーパルス(dt)は間の時間遅延を決定する。時系列PIVにおいて、1/dtは、撮影に必要なフレームレートを決定し、カメラによって許容される最大フレームレートより小さくなければならない。これらのパラメータを微調整しれ後で高品質の速度データを取得するために、フロー記録を最適化する必要がある。必要なフレームレートは最大レーザ繰返し率を超えている場合、2つのレーザがフレームモードで跨ぎPIVを実行するために使用することができる。この例では、フレームレート(5kHzの)は、レーザの最大繰り返し率を超えていないので、単一のレーザを時系列モードでPIVを行う必要がある。
  2. レベル表に対するレーザ
    1. レベル光学テーブルの一端にレーザヘッドを設定する。テーブルのもう一方の端に直接ビーム経路におけるビームダンプを置きます。
    2. レーザーヘッドとビームダンプの間の光学レールを置きます。テープビームブロッカーにターゲットを、キャリアにビームブロッカーを修正し、レール上にキャリアを配置。
    3. レーザ発光するのに十分ですが一枚の紙を燃やすのに十分ではない - 低電流設定に現在のレーザーを設定します。レーザーをオンにして、前後にキャリアをスライドさせます。レーザー位置UNTに小さな調整を行いキャリアが前後に移動するようにレーザービームのILセンターが一つの場所に留まります。光学テーブルにレーザーを修正します。
    4. 組み合わせの正方形を用いたレーザビームの中心の高さを測定します。レーザーの電源をオフにします。
  3. レーザーシート成形光学系をインストールする
    1. レールを外しますが、ビームダンプの前に目標とビームブロッカーを配置。レーザーをオンにして、ビームの中心がターゲットに当たったところ注意深くマーク。また、レーザーシートを形成するために、レーザーパスで、このデモでは望遠鏡を形成するシートを含むビームホモジナイザー(BH)である光学系を形成するシートを置きます。レーザーシートの高さはFOVよりも大きくなければなりません。ターゲット上のマークについてのレーザーシートの中央に高さと幅にBHの位置を調整し、レーザ共振器に戻って移動するから後方反射を維持する。後方反射を避けるために必要であれば、レーザーヘッドとBHの間に開口部を配置します。レーザーの電源をオフにします。 Lこのデモでightのシートは、8ミリと0.5ミリそれぞれ、0.4 MJ /パルスのパルスエネルギーの厚さの高さを持っていた。
    2. 空間を光学テーブル上に制限されている場合、90°レーザ光シートを回転させる45°の高反射ミラーを配置する。テープビームブロッカーに別のターゲットを、キャリアにビームブロッカーを修正し、レール上にキャリアを配置。ミラー後のレールアセンブリを配置します。レーザーをオンにします。それはレールに沿ってスライドさせるような光シートの中心がターゲット上の1つの場所に留まるまでミラーに小さな調整を行います。
    3. 測定値(ここで議論例えば5kHzの)のフレームレートと一致し、最大値、現在のレーザを設定するレーザ繰り返し率を設定する。 BHとターゲットの間にレールを置きます。キャリアに第2のビームブロッカーを取り付け、レール上のアセンブリを配置する。レーザーをオンにします。 BHから焦点の位置を決定するために、前後にキャリアをスライドさせます。 FOCの位置をマークBHからの相対らポイント。ミラーを使用する場合は、ミラーまでの測定は、相対する。焦点にレーザーシートのおおよその高さを測定します。レーザーの電源をオフにします。
  4. 長距離顕微鏡とカメラをマウントして調整
    1. 長距離顕微鏡(LDM)と中心広場と組み合わせ広場を使用して、カメラの開口部の水平方向および垂直方向の中心線をマーク。テーブルとLDMとカメラの水平方向の中心線間の距離を測定します。
    2. キャリアにLDMとカメラを固定し、LDMとカメラの水平方向の中心線は、同じ高さになるように、そのようなワッシャーやナットなど、任意のスペーサーを使用しています。レール上のLDMとカメラを固定。適切なアダプタを使用してLDMとカメラを取り付けます。水平方向の中心線は、光シートの中心としてテーブルの上に同じ距離になるように、アセンブリの高さを調整します。
    3. フォーカルPO用マークの前に平行移動ステージを修正ビームのint型。移動ステージの動きがビーム伝搬と平行になります。アセンブリ全体が光シートに垂直になるように平行移動ステージにカメラアセンブリとレールを固定します。中央焦点とLDMとカメラの垂直中心線を合わせてカメラアセンブリ。
    4. コンピュータと高速コントローラ(HSC)にカメラを接続します。 HSCにレーザーを接続します。上のカメラアセンブリのキャップを保持し、PIVソフトウェアプログラム(LaVisionデイビス7.2)の強度キャリブレーションを行う。
    5. ソフトウェアプログラムで継続的にグラブモードにカメラを設定し、カメラアセンブリのキャップを取り外します。焦点に組み合わせ正方形を置きます。定規の鮮明な画像にフォーカスが入ってくるまで、レールに沿ってカメラとLDMを移動します。レールに沿ってカメラとLDMを移動して、カメラのチップが必要な視野(2にわたるまで、LDMの集束性ロッドを使用して焦点に画像をもたらし続ける。4×800×600画素のチップに2対応1.8ミリメートル)。
  5. それがテーブルと平行になるようにマウントにプレートを固定し、焦点位置に配置します。それは、コンピュータ上の画像に表示されているように、プレートを上げます。連続グラブとキャップカメラアセンブリの電源をオフにします。レーザーをオンにして、レーザー光シートはプレートの表面に沿って接触していることを確認してください。

3。セットアップの流れ

  1. この実証では、PIVは、シリコーン油滴からの散乱光の画像を記録することによって行われる。油滴は、オイル噴霧器を使用して作成される。微粒子フィルター、オイルフィルター、圧力調整器、質量流量計、オイルアトマイザー:アップエア供給するには、以下のアイテムを接続します。鋼管に噴霧器の出力を接続。マウントを使用して、光学テーブルに鋼管を固定するクランプ、テーブルの上にチューブを高め、プレートに向かってそれを演出します。
  2. 空気供給バルブを開きます。背中を設定システムを介して十分な流れを作成するために> 140キロパスカルの圧力調整器の圧力。
  3. 流れの電源をオンにし、アトマイザージェットとアトマイザーのバイパスバルブを通じて播種密度を調整します。

4。セットアップの最適化

  1. ソフトウェアプログラムのフレームレートを入力します。 HSCは、レーザにフレ​​ームレートと一致するトリガー信号を送信していることを確認してください。レーザ電源で、繰り返し率を設定し、現在の(それぞれ5 kHzで、この例では15.5)。外部モードにレーザーを設定します。レーザーは、継続的に外部モードに切り替えるか、または他のレーザーが過熱する前にレーザーで繰り返し率セットに一致するHSCからのトリガ信号を受信する必要があります。
  2. 連続して、つかむレーザーをオンにし、アトマイザーをオンにするカメラを設定します。粒子画像にフォーカスがあることを確認するためにLDMに焦点を当てたロッドを使用してください。また、粒子画像の強度がカム飽和ないことを確認してください時代。そうだとすれば、現在のレーザーを断る - これは焦点の位置に影響を与えます!レーザー電流が変更された場合は、手順2.3.3と2.4.3を繰り返します。焦点粒子画像が達成されたときにグラブモードをオフにします。
  3. 有効な速度データを取得するための記録、レビュー、調整パラメータ
    1. フローの数百の画像を記録します。記録が完了した後、播種密度が32×32ピクセルの呼掛けウィンドウごと8-10粒子のオーダーであることが、粒子が8つ以上のピクセルをシフトしないようにするために記録された画像を確認し、画像の焦点を検証する。前述の条件が満たされるまで繰り返し4.3.1-4.3.4を繰り返します。
    2. 粒子は、8つ以上の画素をずらしている場合は、8画素シフトの最大値を達成するために2つのPIVレーザパルスの間dtは減少する。粒子が8ピクセルより実質的に少ないシフトしている場合は、それに応じてDTを増やす。単一のレーザPIVシステムでは、dtがフレームレートを変更し、その結果によって調整されるレーザーの繰り返し率。 PIVは、2つのレーザを使用するため、dtが第一のレーザからのパルス及び第レーザからのパルス間の時間遅延である。調整dtが問題を軽減していない場合、フレームレートやレーザーの繰り返し率は第調整することができ、次いでdtは再度微調整する必要があるかもしれません。
    3. それは一連の画像全体の粒子の集団を追跡することが困難な場合には、あまりにも多くの面外運動があってもよい。この問題に対処するいくつかの方法があります。)カメラが厚い光学シート撮像なるように焦点からカメラアセンブリを相殺するステップと、b)カメラと光シート面アセンブリ(の間の作動距離を増加させ、集束棒を用いて焦点)より大きな焦点深度を達成するが、これは空間分解能を減少させる。
    4. 播種密度が大きすぎたり密疎である場合は、噴霧器ジェットの数を増加または減少させる。

5。実験を実行している

  1. カマーを実行強度のための基準を設定するためのカメラアセンブリのキャップと強度較正。キャリブレーションが終了したら、キャップを取り外す。
  2. 最適化された繰り返し率と電流にレーザーを設定します。外部モードにレーザーを切り替える前に、レーザーが設定された周波数と一致した連続的なトリガ信号を受信して​​いることを確認します。レーザーをオンにします。
  3. ただ光シート放牧板の表面の背景画像のシーケンスを記録します。これらの画像を保存します。
  4. 流れの電源をオンにし、流れを安定させる。
  5. 継続的に取得し、カメラが焦点を当てた粒子画像を収集していることを確認するためにカメラを設定します。連続グラブモードをオフにします。
  6. 画像の必要な数で入力して、録音ボタンを押す。
  7. 録音が終了すると、流れとレーザーをオフにします。画像のシーケンスを確認し、粒子シフト、播種密度、粒子画像のフォーカスを確認してください。他に満足または繰り返し5.4から5.7あれば録音を保存します。 もっとランを収集する手順5.4から5.7を繰り返します。
  8. カメラの露光時間(カメラは、画像を収集しているフレーム当たりの時間)を増加させる。
  9. 光シート面におけるキャリブレーションターゲットを設定し、それがプレートに接触することを確認してください。光源( つまり懐中電灯)と後ろからターゲットを照らす。連続グラブモードでのカメラで、記録された画像は、焦点が合っているし、歪まないようにターゲットを調整します。プレートとターゲットとの間の接触点は画像に表示されていることを確認してください - これは画像内のプレートの位置を決定するために重要です。
  10. キャリブレーションターゲットの10の画像を記録します。手順カメラアセンブリまたはフォーカスが変更された5.9から5.11たびに繰り返します。

6。データ処理

  1. このデモで使用されるPIVソフトウェアプログラムはLaVisionデイビス8.1だった。較正対象画像の各セットを平均する。キャリブレーションルーチンで結果の画像を使用してください取得した画像の真の世界の大き​​さを決定するために、歯。
  2. 画像の対応するセットに各キャリブレーションを適用します。
  3. 校正された画像内のプレートの位置を決定する。この情報は、幾何学的なマスク(6.6を参照)を作成する必要がある。
  4. 背景画像を平均。表面からのレーザー反射がシード粒子の強度カウントに平均背景画像の強度数を比較することにより、バックグラウンドノイズに大きく貢献しているかどうかを判断。壁の近くに明るいレーザーの反射は、粒子強度より高い強度を持つことになります。これが悪影響を壁の近くPIV相関に影響を与え、壁に最も近い最初の信頼できるベクトルの位置が制限されます。この例では、レーザの反射が大きくバックグラウンドに寄与しなかった。
  5. 前処理大きな強度変動を除去するハイパスフィルタ(バックグラウンドフィルタをスライド引く)を用いて較正されたフローのイメージこのようなレーザーの反射として、バックグラウンドでtions、。粒子信号は、小さな強度の変動を有し、フィルタを通過する。
  6. 幾何学的なマスクを定義 - プレートが画像のどこにあるかベクトル計算を無効にする長方形のマスクを使用しています。注:指定された領域内にPIV相関を可能にするもう1つは、指定された領域内にPIV相関を無効1:DAVISは幾何学的なマスクの2つのオプションがあります。指定された領域内にPIVアルゴリズムを有効にするためにマスクをこのデモで使用した。
  7. "アドバンストマスクの設定"メニューで、マスク( すなわちのみマスク内部のピクセルを使用します)を適切に適用していることを確認してください。
  8. ベクトル計算手順を指定する:この例では、ウィンドウサイズを小さくすると、マルチパス手順を用いた - 50%で64×64ピクセルの呼掛けウィンドウを使用して2最初のパスが50%のオーバーラップが32×32ピクセルの呼掛けウィンドウを使用して3パスに続い重なり。
  9. 速度ベクトル場このデモンストレーションでは、相互相関結果の品質を向上させるために5のサブルーチンを使用して後処理した:a)マスクを永続的にと、b)ピーク比(Q)<1.1でベクトルを削除し、c)メディアンフィルタを適用しますと、d) <5ベクトルeでグループを削除します)フィルアップベクトルを適用します。ピーク比(Q)は次のように定義される方程式 、P1とP2はそれぞれ、第1および第2の最も高い相関ピークここで、minは、相関面における最小値である。Qはベクトルの品質を評価するためのメトリックである。 Qが二番目に高い相関ピークによって表される一般的な相関関係の背景には、最高のベクタに結果最も高い相関ピークを比較します。 1近くにQとベクトルが最も高い相関ピークが偽ピークであることを示しています。次に、メディアンフィルタは、中央値ベクトル(Uの中央値は 、Vの中央値を決定ベクトルと、隣接ベクトル(U RMS、V RMS)の偏差のグループの)。 - U 実効 ≤U≤uは中央値 + U RMS v 中央値 - V RMS≤V≤V中央値 + V RMS uの中央値 :メディアンフィルタ、中間ベクトル(u、v)は、それが次の基準に適合しない場合は拒否されます。さらに、それは大きなオーバーラップが速度ベクトルの計算に指定された場合にスプリアスベクトルのグループを得ることができる。したがって、ベクトルの指定された数より少なくてベクトルのグループを削除することができる。スプリアスベクトルが除去されれば、ベクトルが満杯には、非ゼロの隣接ベクトルから決定される補間されたベクトルの空のスペースを埋めるために使用することができる。最後に、恒久的にマスクを適用すると、マスクの外側に任意のベクトルを削除されます。
  10. 結果の品質を評価する:)結果を行います物理的な意味が? (壁からの距離が増加すると速度を増やし、境界付近より遅い速度、すなわち 、ベクトルの方向が流れ、 などの一般的な方向に従う)と、b)得られたベクトル場は、主に第一選択ベクトルで構成されている(で示さPIV処理ソフトウェア)。通常、それは最初の選択肢ベクトルの割合が95%以上にすることをお勧めします。後処理工程の広い範囲は、文献、 例えば 1,2に記載されている。

Representative Results

セットアップの写真を図1に示されている。連続する2つの撮像画像から壁の近くに32×32ピクセルの呼掛けウィンドウの生の粒子画像を図2に示す。 図2aの粒子は、 図2bの右側に2〜3画素の変位面内及び面外の粒子変位が尋問ウィンドウサイズの4分の1を超えてはならないと述べている"四分の一のルールを、"満足している。 PIV相関アルゴリズムは粒子のグループを追跡するため、また、取調べウィンドウごとに粒子密度は、およそ8-10粒子でなければなりません。しかし、壁近傍PIV調査における播種密度は1-3粒子のオーダーであることが多い。したがって、特別なアルゴリズムはそのような個々の粒子の1,2,4-6を追跡粒子追跡流速(PTV)アルゴリズムなどの下播種密度、を用いた研究に対処するために使用されるべきである。時間平均相関アプローチ7,8は 、低播種密度の問題に対処するために使用され、これは、一般的に時間分解能の損失をもたらすことができる。さらに、壁の近くにイメージングに悪影響PIV相関に影響を与え、誤ベクトルを生成することが明るいレーザーの反射の影響を受ける。これらの明るい反射も壁法線方向内の最初の有効な速度ベクトルの位置を制限する。生の粒子画像を前処理することは、レーザの反射などのソースからバックグラウンドノイズの影響を低減する必要がある。このデモでは、最初の有効なベクターは、壁から23ミクロンに位置していた。

生の粒子画像をPIV相関アルゴリズムを用いて処理された後、得られた速度ベクトル場の品質および妥当性を評価すべきである。スプリアスベクトルは生のベクトル場で避けられないが、いくつか際立った特徴があります。誤ったベクトルはO表面近く、光シートの端で、そしてエッジに共通しているファフロー。また、無効なベクトルの大きさと方向は、隣接するベクトルから大きく異なり、物理的な意味をなさないでしょう。 図2の粒子変位が示すように、この境界層流の例の場合、有効な速度ベクトルが左から右を指しているべきである。さらに、速度はノースリップ状態9のため壁の近くに減少するはずである。 図3に示す瞬時速度場は、これらの物理的な基準の両方に適合。 PIV結果の妥当性を評価するための別の有用なメトリックは、速度ベクトル場における各ベクトルのベクトル選択を決定することである。一般的には、ベクトル場が> = 95%の最初の選択肢ベクトルで構成する必要があり、まだ後処理を必要としないもの、すなわち 、その結果堅牢な後処理アルゴリズムは、かなりのアーティファクト2を生成せずにスプリアスベクトルを検出し、置換するために使用することができる。に示す瞬時ベクトル場

高速又は映画、PIV測定の重要性は、フロー画像の時間系列の検査から明らかになる。先頭、中間、および記録シーケンスの終了時に瞬間速度(V i)と速度変動(V ')のベクトル場は、 図3に示されている。 V iは平均速度場の合計である、レイノルズ分解を使用( 方程式 )とV '10。この実験のために、 方程式時間的に配列内のすべての画像を平均することによって決定した。瞬間的なベクトル場を通じ記録シーケンスうち非常に類似しており、左から右に移動する流れを示しています。これらの結果は、水平速度成分(u)は垂直方向の速度成分(v)に比べてはるかに大きいので、流れが水平方向に主にあることを示している。変動ベクトル場はまた、水平速度変動(はu ')(垂直速度変動V)よりも大きい"ことを示している。しかし、変動はまた、U 'は記録シーケンス全体にその方向を反転以来流れが鈍化していることを示している。

時間平均および瞬間uは -記録シーケンス中の複数の異なる時間におけるプロファイルが図4に示されており、流れが時間をかけて減速されていることを確認している。 U -プロファイルたち壁に近い結果の統計的有意性を改善するために一緒に隣接する四つの列ベクトルを平均化することによって決定再度。手順は前作6,8で使用されていた。エラーバーは、4つの隣接ベクトル列の標準偏差の2倍を示している。最大のエラーバーは、プレートの表面付近に生じ、低播種密度の領域に対してPIV相関アルゴリズムを使用することの難しさを再確認するものである。いくつかの解析アルゴリズムは、PTV 5,6及び時間平均相関アプローチ7,8のような低播種密度に対応するために設計されている。

図1
図1。ベンチトップアセンブリ。

図2
図2。の壁の近くに32×32ピクセルの尋問における粒子画像)T = 0.2ミリ秒と、b)時刻t = 0.4ミリ秒。尋問ウィンドウの物理的な寸法は96×96μmの2です。

図3
図3左の場合:。瞬時(V I)と、右:先頭、中間、および記録シーケンスの終了時に変動(V ')速度場。ベクトル場は、第一選択ベクトルで完全に構成されています。ベクトル場の小さなサブセットは、明確にするために示されている。 V IフィールドはしばらくV '逆方向左から右に移動する流れを示している。水平方向にのみ、すべての第四のベクトル列はわかりやすくするために表示されますのでご注意ください。さらに各画像の左上隅に示されるように、V i及びV 'フィールド間の速度スケールが異なっている。

図4
図4水平速度(u)のプロファイル流れを通して異なる時間に。時間平均腕時計 -プロファイルは円で示されている。時刻t = 0.1ミリ秒すぐに表示されるエラーバーは、他のすべての時間に誤差棒の代表的なものである。 Uの時刻歴-プロファイルは、時間をかけて流れの減少を示しています。

Discussion

任意のオプティカルフロー測定技術と同様に、高速の粒子画像流速(PIV)の設定を計画する制約条件の評価と手元の測定タスクのための最良の妥協の評価を必要とする。倍率、フレームレート、レーザシートのプロパティ、および解析アルゴリズムの選択は、研究中のフローの詳細に依存する。必要であれば、探索測定は、高忠実度の測定のためにパラメータ設定を識別するために行われなければならない。

この記事では、平板に沿った流れの境界層を研究するための一般的な手順と高速PIV用のいくつかのサンプルの結果を示しています。 500画像のシーケンスは5kHzに記録した。長距離顕微鏡は、板面に配置さ2.4×1.8ミリメートル2の視野を達成するために使用した。種子油滴の高品質の照明が光shに進出したパルス状のLD励起固体レーザからのビームを実現したEETは、ビームホモジナイザーを用いて。ビームホモジナイザーは、小さなシリンドリカルレンズ、追加、統合された望遠鏡で構成されたマイクロレンズアレイを含んでいます。マイクロレンズアレイは、ビームレットに分割することによって、入射ビームを垂直方向に円形ビームを拡大する。その後、次の望遠鏡はビーム伝搬に通常の光シート面における均一な光強度分布を有する光シートを作成するためにビームレットを重畳。画像は、PIV相互相関アルゴリズムを用いて処理した。これは、均質化されたビームが表面の近くで作業する場合は特に、有用であるが、それは、ここで説明する応用にとって重要ではないことに留意すべきである。

この手順で概説した方法は、堅牢な相関アルゴリズムを用いてフローの非侵入高分解能、高速な調査を可能にする。この高分解能、高速な測定技術の主な利点は、高い空間分解能と時間分解能識別および追跡する機能であるフロー内の構造の進化。これらの技術を用いて、Alharbi 6とJainski 8は、内燃機関の境界層内の渦構造を可視化し、追跡する能力を実証している。これらのキーの機能は非常に一時的な流れの構造と動態に関する調査を可能にする。また、PIVは(PIV断層面(ステレオPIV)および体積の3成分を(3C)を解決するために、二次元、二成分(2D-2C)速度場(ここで説明される)を超えて拡張することができる、PIV、ホログラフィックPIV)をスキャン。また、PIVは、平面レーザ誘起蛍光(PLIF)、濾過し、レイリー散乱(FRS)、速度および他のスカラー(温度、種濃度、当量比)11の同時2次元測定を達成するために、サーモグラフィー、蛍光体などの他の技術を用いて実装することができる-14。これらの光学、レーザーベースの方法は、直接質量を調査するために適用することができるこのような内燃機関における壁近傍の流れなどの多くの用途において、エネルギー交換プロセス。

Disclosures

著者らは、開示することは何もありません。

Acknowledgments

この材料はグラント号CBET-1032930の下で米国の国立科学財団によってサポートされており、ミシガン州の定量レーザー診断研究所の大学で行われた作業の仕事に基づいています。

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
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Translation stage Newport
Metal tubing to create jet flow McMaster-Carr 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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