Alta velocidad velocímetro de partículas cerca de superficies

Engineering
 

Summary

Un procedimiento para el estudio de flujos transitorios cerca de las fronteras con alta resolución, alta velocidad de velocimetría de imágenes de partículas (PIV) se describe aquí. PIV es una técnica de medición no invasiva aplicable a cualquier flujo óptico accesible mediante la optimización de varias restricciones de parámetros tales como la imagen y la grabación de las propiedades, las propiedades de la hoja de láser, y algoritmos de análisis.

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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

Flujos multi-dimensionales y transitorios desempeñan un papel clave en muchas áreas de la ciencia, la ingeniería y ciencias de la salud, pero a menudo no se comprenden bien. La compleja naturaleza de estos flujos puede ser estudiada utilizando velocimetría de imágenes de partículas (PIV), una técnica de imagen basada en el láser para flujos ópticamente accesibles. Aunque existen muchas formas de PIV que se extienden más allá de la técnica de la plana original de las capacidades de medición de la velocidad de dos componentes, el sistema básico de PIV se compone de una fuente de luz (láser), una cámara, partículas trazadoras, y algoritmos de análisis. Los parámetros de imagen y la grabación, la fuente de luz, y los algoritmos se ajustan para optimizar la grabación para el flujo de interés y obtener datos de velocidad válidos.

Común PIV medida investigaciones velocidades de dos componentes en un avión en unos pocos fotogramas por segundo. Mediciones de la tasa elevada de fotogramas (> 1 kHz) Sin embargo, los acontecimientos recientes en la instrumentación han facilitado capaces de resolver transiciónent fluye con alta resolución temporal. Por lo tanto, las mediciones de alta tasa de fotogramas tienen habilitadas las investigaciones sobre la evolución de la estructura y dinámica de los flujos altamente transitorios. Estas investigaciones juegan un papel crítico en la comprensión de la física fundamental de los flujos complejos.

Una descripción detallada de la realización de alta resolución, alta velocidad plana PIV para estudiar un flujo transitorio cerca de la superficie de una placa plana se presenta aquí. Detalles para ajustar las limitaciones de parámetros tales como la imagen y propiedades de grabación, las propiedades de la hoja de láser, y el procesamiento de los algoritmos de adaptación PIV para cualquier flujo de interés se incluyen.

Introduction

Mediciones multidimensionales de las velocidades y la capacidad de realizar el seguimiento del campo de flujo en el tiempo proporcionan información crítica en muchas áreas de la ciencia, la ingeniería y ciencias de la salud. Entre las técnicas más utilizadas para la proyección de imagen de flujo es velocimetría de imagen de partículas (PIV). Inicialmente establecido como una técnica planar que las instantáneas medidos de los dos en el plano componentes de la velocidad, las variantes de PIV se han desarrollado para proporcionar capacidades de medición de tres componentes y volumétrica. Todos los sistemas de PIV consisten de partículas trazadoras, una o más fuentes de luz, y una o más cámaras. Las partículas sólidas o gotitas se utilizan comúnmente como partículas trazadoras pero burbujas inherentes en el flujo también se pueden utilizar como partículas trazadoras. La cámara (s) a continuación, la imagen (s) dispersa o luz emitida a partir de las partículas trazadoras después de que se irradian por la fuente de luz (s). Entre la amplia gama de variaciones de 1,2 la más común capta dos componentes de la velocidad en un plano en una ratae de unos pocos fotogramas por segundo. Más recientemente, los nuevos instrumentos ha permitido mediciones de la tasa alta de trama (> 1 kHz) que siguen el flujo en escalas de tiempo de turbulencia en el rango de kHz.

PIV determina un campo de velocidad mediante el seguimiento del movimiento promedio de grupos de partículas a partir de un par de imágenes que están separadas por un retardo de tiempo conocido. Cada imagen se divide en una cuadrícula de ventanas de interrogación regularmente espaciados. El interrogatorio ventana de tamaño más común es de 32 x 32 píxeles. Un algoritmo calcula la función de correlación cruzada para todas las ventanas de interrogación, lo que resulta en un vector de desplazamiento por ventana de interrogación y por lo tanto produce una rejilla regular de vectores. Dividiendo el campo de vector de desplazamiento por el retardo de tiempo a continuación, determina el campo de vector de velocidad.

Al planificar las medidas de PIV es importante darse cuenta de que por lo general la elección de parámetros experimentales es un compromiso entre exigencias contradictorias. En otras palabras, la experienciatrastornos mentales deben ser planificados cuidadosamente para captar los aspectos del flujo que son de importancia para el estudio en cuestión. Los libros de Raffel et. Al 1 y Adrian y Westerweel 2 proporcionan excelentes discusiones en profundidad sobre estas limitaciones. Aquí destacamos algunos que son más críticos en el contexto actual.

La elección del campo de visión (FOV) para fijar el punto de partida para la selección de parámetros aquí. El número de píxeles en el chip de la cámara a continuación, determina la resolución espacial y el número de vectores que se obtienen, suponiendo que se opta por utilizar interrogación tamaños de ventana de 32 x 32 píxeles, a menudo con un 50% de solapamiento durante el procedimiento de correlación cruzada. Una densidad de siembra de partículas de 8-10 por ventana de interrogación se desea generalmente para ayudar a la función de correlación cruzada. Sin embargo, hay algoritmos especiales, tales como la velocimetría de seguimiento de partículas (PTV) y los enfoques de correlación promediados en el tiempo, que puedeser utilizado para hacer frente a situaciones de baja densidad de siembra (1-3 partículas / ventana de interrogación) como es el caso de imágenes cerca de superficies. Tenga en cuenta que los gradientes de velocidad dentro de cada ventana de interrogación deben ser pequeñas para evitar un sesgo en el vector representativo resultante para esa ventana.

Una regla-de-pulgar establecido es que los desplazamientos de partículas entre la primera y la segunda trama no deben exceder de 8 pixeles (¼ del tamaño de la ventana de interrogación) para reducir el número de pérdidas de emparejamiento (pérdida de imágenes de partículas dentro de la ventana de interrogación desde la primera enmarcar a la segunda trama) para la correlación. Como resultado, el tiempo entre los dos pulsos de láser consecutivos (dt) tiene que ajustarse en consecuencia. Sin embargo, la reducción de DT por debajo del equivalente de desplazamientos 8-pixel será reducir el rango dinámico de velocidad debido a que el límite de resolución extremo inferior es del orden de 0,1 píxeles de desplazamiento.

Al igual que el desplazamiento de 8 pixeles wentro del plano de la imagen, las partículas de velocidad más alta no debe atravesar más de ¼ del espesor de la lámina de luz, de nuevo para reducir el número de pérdidas de emparejamiento. Puesto que el retardo de tiempo entre los dos pulsos de láser se utiliza para asegurar las mejores correlaciones dentro del plano de lámina de luz, el espesor de la lámina es una variable en este contexto. Mientras que la uniformidad de la intensidad de la luz no es tan crítico como lo es para las mediciones de la intensidad de base plana como fluorescencia inducida por láser de imágenes 3, un perfil de haz de sombrero de copa cerca de ayuda a la calidad de PIV, especialmente para formación de imágenes de mayor resolución.

En general, algunas suposiciones sobre la naturaleza del flujo en estudio se pueden utilizar como punto de partida en la selección de los parámetros experimentales. Entonces, se podrían necesitar experimentos preliminares para afinar los ajustes.

Aquí se describe cómo configurar un experimento de PIV que permite mediciones de imagen alta velocidad de cuadro de dos Compone velocidadtes con resolución espacial que es adecuada para resolver las estructuras de la capa límite. Esto se logra con el uso de una alta tasa de repetición de TEM 00 bombeado por diodos láser de estado sólido, un microscopio de larga distancia, y un tipo de cámara de alta CMOS de fotograma. También se incluyen unos detalles en las imágenes cerca de superficies.

Protocol

1. Lab Safety

  1. Revisión de seguridad de materiales con láser antes de utilizar un láser y asegurarse de que se cumplen los requisitos de capacitación.
  2. Obtener el equipo de seguridad adecuado para trabajar con láseres. Cada persona debe llevar un par de gafas de seguridad de laser que bloquean onda de emisión del láser (s). Instale una señal de advertencia exterior del laboratorio para que los demás sepan cuando el láser está en funcionamiento. Cuelgue cortinas de seguridad de laser de todo el banco óptico para aislarlo de otros compañeros de trabajo en un espacio de laboratorio compartida.
  3. Retire todos los relojes y joyas cuando trabaje con láser.
  4. Tenga en cuenta la trayectoria de los rayos al configurar el equipo: configurar el equipo para que hacer ajustes no requerirá alcanzar por encima o por debajo de la viga.
  5. Leer el manual de láser para determinar la forma de operar el láser de forma segura.
  6. Mantenga su nivel de los ojos fuera del plano del haz de láser!

2. Sobremesa Set-up

  1. Determine el aumento tsombrero será requerido para la aplicación y selecciona la lente apropiada. El aumento (M) puede ser determinada dividiendo la longitud del chip de la cámara con la longitud correspondiente del campo de visión (FOV). En este ejemplo, la longitud del chip de la cámara es de 17,6 mm y la longitud correspondiente del campo de visión es de 2,4 mm. Por lo tanto, M = 17,6 mm / 2,4 mm = 7,33. Un microscopio de larga distancia se utiliza aquí para lograr este campo de visión más pequeño.
    1. Realizar algunos cálculos aproximados de las velocidades esperadas en la región cercana a la pared. Utilice estas estimaciones para determinar los parámetros de grabación, tales como la velocidad de fotogramas y el tiempo de retraso de acuerdo con directrices prácticas para PIV 1,2. Determine el tiempo que tomará para que una partícula de viajar 8 píxeles. Esto determinará el retardo de tiempo entre cada pulso de láser (dt). En el tiempo de la serie de PIV, 1/dt determinará la tasa de marco de la cámara necesaria y debe ser menor que la velocidad de fotogramas máximo permitido por la cámara. Pequeños ajustes de estos parámetros puedemás tarde ser necesario optimizar la grabación de caudal para obtener datos de velocidad de alta calidad. Si la velocidad de cuadros requerida es mayor que la tasa de repetición máxima de láser, dos láseres pueden ser utilizados para realizar PIV en el modo de marco a horcajadas. Para este ejemplo, la velocidad de fotogramas (5 kHz) no excede de la tasa de repetición máxima del láser y por lo tanto sólo se requiere un único láser para realizar PIV en el modo de series de tiempo.
  2. Nivele el láser con respecto a la tabla
    1. Ajuste el cabezal del láser en un extremo de una mesa óptica nivel. Coloque un vertedero de haz directamente en la trayectoria del haz en el otro extremo de la mesa.
    2. Coloque un carril óptico entre la cabeza del láser y el volcado de haz. Tape el objetivo de un bloqueador de viga, fijar el bloqueador de haz a un vehículo y coloque el vehículo en el carril.
    3. Ajuste la corriente a un valor actual de láser de baja - suficiente para lasear pero no lo suficiente como para quemar una hoja de papel. Encienda el láser y deslice el soporte hacia atrás y adelante. Hacer pequeños ajustes al unt posición del láseril el centro del haz láser se queda en un lugar como el carro se mueve hacia atrás y adelante. Fijar el láser a la mesa óptica.
    4. Medir la altura del centro del haz de láser utilizando una escuadra de combinación. Apague el láser.
  3. Instale la hoja láser óptica de formación
    1. Retire ferrocarril, pero colocar el bloqueador de viga con el objetivo delante de la viga de volcado. Encienda el láser y marque con cuidado en el centro de la viga en el blanco. Coloque la lámina que forma la óptica, que es el homogeneizador de haz (BH), que también incluye una hoja formando telescopio en esta demostración, en la ruta de láser para formar la hoja de láser. La altura de la hoja de láser debe ser mayor que el campo de visión. Ajuste la posición de la BH al centro de la altura y la anchura de la hoja del laser de la marca en el blanco, y quedarte con reflejos de viajar atrás en la cavidad láser. Coloque una abertura entre el cabezal láser y BH si es necesario para evitar volver reflexiones. Apague el láser. El lhoja de ight en esta demostración tenía una altura de 8 mm y un espesor de 0,5 mm, respectivamente, y una energía de pulso de 0,4 mJ / pulso.
    2. Si el espacio es limitado en la mesa óptica, coloque un espejo de 45 ° de alta reflectividad para convertir la hoja de luz láser en 90 °. Cinta otro objetivo a un bloqueador de haz, fijar el bloqueador de haz a un soporte y colocar el portador sobre el carril. Coloque el riel tras el espejo. Encienda el láser. Hacer pequeños ajustes al espejo hasta el centro de la hoja de la luz se queda en un solo lugar en el blanco ya que se desliza a lo largo del ferrocarril.
    3. Establecer la tasa de repetición del láser para que coincida con la velocidad de fotogramas para las mediciones (5 kHz para el ejemplo analizado aquí) y establecer la corriente al valor máximo de láser. Coloque un ferrocarril entre el BH y el objetivo. Conecte un segundo bloqueador de haz para el soporte y coloque el montaje sobre el carril. Encienda el láser. Deslice el soporte de un lado a otro para determinar la ubicación del punto focal de la BH. Marque la ubicación del focal punto relativo a la BH. Si se utiliza un espejo, hacer la medición en relación con el espejo. Medir la altura aproximada de la hoja de láser en el punto focal. Apague el láser.
  4. Montar y ajustar el microscopio de larga distancia y la cámara
    1. Marque las líneas centrales horizontal y vertical del microscopio de larga distancia (LDM) y aberturas de la cámara con un cuadrado centrado y escuadra combinada. Medir la distancia entre la mesa y las líneas centrales horizontales de la LDM y la cámara.
    2. Fijar la LDM y una cámara para los portadores y usar los espaciadores, tales como arandelas o tuercas, de manera que las líneas centrales horizontales de la LDM y la cámara están a la misma altura. Fijar la LDM y cámara en la barandilla. Coloque la LDM y la cámara mediante los adaptadores correspondientes. Ajuste la altura del conjunto de manera que los ejes horizontales son la misma distancia por encima de la mesa, como el centro de la hoja de la luz.
    3. Fijar una etapa de traducción frente a la meta, al po focalint de la viga. El movimiento de la etapa de traducción será paralela a la propagación del haz. Fijar el riel con el conjunto de la cámara a la etapa de traducción, de manera que todo el conjunto es perpendicular a la lámina de luz. Centre el conjunto de la cámara mediante la alineación de los ejes verticales de la LDM y la cámara con el punto focal.
    4. Conecte la cámara a la computadora y el controlador de alta velocidad (HSC). Conecte el láser para el HSC. Mantenga la tapa del montaje de cámara y realizar una calibración de la intensidad en el programa PIV (LaVision Davis 7.2).
    5. En el programa de software de configurar la cámara en el modo de apropiación continua y retire la tapa del conjunto de la cámara. Coloque una escuadra de combinación en el punto focal. Mueva la cámara y la LDM a lo largo del riel hasta una imagen nítida de la regla entra en el foco. Continuar para mover la cámara y LDM lo largo del carril y llevar la imagen en el foco usando varilla de enfoque del LDM hasta que el chip de la cámara se extiende por el campo de visión (2 deseada.4 x 1,8 mm 2 que corresponde a un chip de píxel 800 x 600).
  5. Fije una placa de un montaje para que sea paralelo a la mesa y colocarlo en el punto focal. Levante la placa de modo que sea visible en las imágenes en el ordenador. Apague el conjunto de la cámara acaparamiento y la tapa continua. Encienda el láser y asegúrese de que la lámina de luz láser hace contacto a lo largo de la superficie de la placa.

3. Flow Set-up

  1. En esta demostración, PIV se lleva a cabo mediante el registro de imágenes de la luz dispersada por las gotas de aceite de silicona. Las gotitas de aceite se crean utilizando un atomizador de aceite. Conecte los siguientes artículos hasta un suministro de aire: un filtro de partículas, filtro de aceite, regulador de presión, medidor de flujo de masa, y el atomizador de aceite. Conectar la salida del atomizador para un tubo de acero. Utilice un soporte y pinza para fijar el tubo de acero a la mesa óptica, eleve el tubo por encima de la mesa y dirigirla hacia la placa.
  2. Abra la válvula de suministro de aire. Ajuste la parte traserala presión en el regulador de presión a> 140 kPa para crear suficiente flujo a través del sistema.
  3. Encienda el flujo y ajustar la densidad de siembra a través de los chorros de atomizador y las válvulas de derivación en el atomizador.

4. Optimizar el Set-up

  1. Introduzca la velocidad de fotogramas en el programa de software. Compruebe que el HSC está enviando una señal de disparo que coincide con la velocidad de fotogramas para el láser. En la fuente de alimentación del laser, ajuste la tasa de repetición y corriente (5 kHz y 15,5 A en este ejemplo, respectivamente). Ajuste el láser para el modo externo. El láser debe recibir continuamente una señal de disparo de la HSC que coincida con el conjunto de tasa de repetición en el láser antes de cambiar al modo externo o bien el láser se sobrecaliente.
  2. Ajuste la cámara para tomar continuamente, encender el láser, y activar el atomizador. Utilice la barra de centrarse en la LDM para asegurarse de imágenes de partículas están en foco. También asegúrese de que la intensidad de las imágenes de partículas no es saturar el camera. Si es así, baje el láser actual - esto afectará a la posición del punto focal! Repita los pasos 2.3.3 y 2.4.3 si se cambia el actual láser. Desactivar el modo de apropiación cuando se consiguen imágenes de partículas centradas.
  3. Registro, revisar y ajustar los parámetros para la obtención de los datos de velocidad válidos
    1. Registre varios cientos de imágenes de la corriente. Una vez finalizada la grabación, comprobar las imágenes grabadas para que las partículas de seguro no se desplazan más de 8 píxeles, de la densidad de siembra es del orden de 8 a 10 partículas por 32 ventana de interrogación pixel x 32, y para verificar el enfoque de las imágenes . Repita los pasos 4.3.1-4.3.4 hasta que se cumplan los criterios anteriores.
    2. Si las partículas se desplazan más de 8 píxeles, disminuir el dt entre los dos pulsos de láser PIV para lograr un máximo de turnos de 8 píxeles. Si las partículas están cambiando sustancialmente menos de 8 pixeles, aumentar la dt en consecuencia. Para sistemas de un solo láser de PIV, el DT se ajusta mediante la alteración de la velocidad de fotogramas y, en consecuenciala tasa de repetición del láser. Para PIV utilizando dos láseres, dt es el retardo de tiempo entre un impulso del primer láser y un impulso del segundo láser. Si dt ​​ajuste no soluciona el problema, la velocidad de fotogramas y las tasas de repetición del láser primero se pueden ajustar y luego dt pueden necesitar ser ajustado de nuevo.
    3. Si es difícil de rastrear grupos de partículas a través de una serie de imágenes, puede haber mucho movimiento fuera de plano. Hay varias maneras de abordar este problema: a) compensar el conjunto de la cámara desde el punto focal para que la cámara es la imagen de una hoja de luz más gruesa; b) aumentar la distancia de trabajo entre la cámara y el montaje plano de lámina de luz (y enfocar con la varilla de centrado ) para lograr una mayor profundidad de foco, sin embargo, esto reducirá la resolución espacial.
    4. Si la densidad de siembra es demasiado escasa o demasiado denso, aumentar o disminuir el número de chorros de atomizador.

5. Ejecución del experimento

  1. Realizar una cámaruna calibración de la intensidad con la tapa en el conjunto de la cámara para establecer una referencia para la intensidad. Una vez que finaliza la calibración, retire la tapa.
  2. Ajuste el láser para la tasa de repetición optimizado y actual. Antes de encender el láser de modo externo, asegúrese de que el láser recibe una señal de disparo continuo que coincida con la frecuencia establecida. Encienda el láser.
  3. Grabar una secuencia de imágenes de fondo de solo la hoja luz rasante la superficie de la placa. Guarde estas imágenes.
  4. Encienda el flujo y permitir el flujo se estabilice.
  5. Ajuste la cámara para tomar continuamente y compruebe que la cámara está recogiendo imágenes de partículas centradas. Desactive el modo de apropiación continua.
  6. Introduzca el número deseado de imágenes y pulse record.
  7. Una vez finalizada la grabación, apague el flujo y el láser. Revise la secuencia de imágenes y comprobar el cambio de las partículas, la densidad de siembra, y la imagen de partículas enfoque. Guardar la grabación, si a juicio o de lo contrario, repita los pasos 5.4 hasta 5.7. Repita los pasos 5.4 a 5.7 para recoger más carreras.
  8. Aumentar el tiempo de exposición (la cantidad de tiempo por trama que la cámara está recogiendo imágenes) de la cámara.
  9. Establecer un objetivo de calibración en el plano de lámina de luz y asegúrese de que haga contacto con la placa. Ilumine la meta por detrás con una fuente de luz (es decir, la linterna). Con la cámara en el modo de agarre continuo, ajustar el blanco de manera que la imagen grabada está en foco y no distorsionada. Asegúrese de que el punto de contacto entre la placa y el objetivo es visible en la imagen - esto es crucial para determinar la localización de la placa en las imágenes.
  10. Graba 10 imágenes de la plantilla de calibración. Repita los pasos de 05.09 a 05.11 cada vez que se cambia el conjunto de la cámara o el enfoque.

6. Proceso de datos

  1. El programa de software PIV utilizado en esta demostración era LaVision Davis 8.1. Promedio, cada conjunto de imágenes de destino de calibración. Utilice la imagen resultante en la calibración rouTine para determinar las dimensiones del mundo real de las imágenes adquiridas.
  2. Aplicar cada calibración para el correspondiente conjunto de imágenes.
  3. Determinar la ubicación de la placa en las imágenes calibradas. Esta información es necesaria para la creación de una máscara geométrica (descrito en 6.6).
  4. Promediar las imágenes de fondo. Determinar si los reflejos del láser de la superficie contribuyen de manera significativa el ruido de fondo mediante la comparación de los recuentos de intensidad de la imagen de fondo media de los recuentos de intensidad de las partículas de siembra. Brillantes reflejos del láser cerca de la pared tendrán intensidades superiores a las intensidades de las partículas. Esto afectará negativamente a los PIV correlaciones cerca de la pared y limitar la ubicación del primer vector fiable más cercana a la pared. En este ejemplo, los reflejos del láser no contribuyeron significativamente a la de fondo.
  5. Pre-proceso de las imágenes de flujo calibrados usando un filtro de paso alto (restar deslizamiento filtro de fondo) para eliminar gran intensidad de fluctuaciónnes en el fondo, como los reflejos del láser. Señales de partículas tienen pequeñas fluctuaciones de intensidad y pasarán a través del filtro.
  6. Definir una máscara geométrica - utilizar una máscara rectangular para desactivar cálculo vectorial donde se encuentra la placa en las imágenes. Nota: Davis tiene dos opciones para máscaras geométricas: una que permite correlaciones de PIV dentro de la región especificada y una que desactiva correlaciones de PIV dentro de la región determinada. Una máscara para permitir que el algoritmo de PIV dentro de la zona especificada se utiliza en esta demostración.
  7. En el menú "Advanced máscara de configuración", compruebe la máscara se aplica correctamente (es decir, sólo utilizar píxeles dentro de la máscara).
  8. Especificar el procedimiento de cálculo de vectores: en este ejemplo se utilizó un procedimiento de pasos múltiples con la disminución del tamaño de la ventana - 2 pases iniciales usando 64 x 64 ventanas de interrogación de píxeles con 50% de superposición seguidos por 3 pasadas con 32 x 32 ventanas de interrogación de píxeles con 50% de superposición .
  9. Los campos de vectores de velocidaden esta demostración estaban usando post-procesado cinco subrutinas para mejorar la calidad de los resultados de correlación cruzada: a) Hacer máscara permanente, b) Remover vectores con una tasa pico (Q) <1,1; c) Aplicar un filtro de mediana, d) Eliminar grupos con <5 Vectores e) Aplicar vector llenado del tanque. La relación de pico (Q) se define como Ecuación , Donde P1 y P2 son las primera y segunda más altos picos de correlación, respectivamente, y min es el valor mínimo en el plano de correlación. Q es una métrica para la evaluación de la calidad de un vector. Q compara el pico de correlación más alta, lo que resulta en el mejor vector, para el fondo de correlación común representado por el segundo pico de correlación más alta. Vectores con Q cerca de 1 son una indicación de que el más alto pico de correlación es un pico falso. A continuación, el filtro de mediana determina el vector de mediana (mediana u, v mediana) De un grupo de vectores y la desviación de los vectores de vecinos (U rms, V rms). El filtro de mediana rechaza el vector medio (u, v) si no se ajusta a los siguientes criterios: u mediana - u rms ≤ u ≤ u mediana + u y v rms media - v rms ≤ v ≤ v mediana + v rms. Además, es posible obtener los grupos de vectores de espurios si un gran solapamiento se ha especificado en el cálculo vector de velocidad. Por lo tanto, es posible eliminar los grupos de vectores con menos de un número especificado de vectores. Una vez que los vectores no esencial se eliminan, vector de llenar se puede usar para llenar los espacios vacíos con vectores interpolados, determinados a partir de vectores de vecinos no-cero. Por último, la aplicación de la máscara de forma permanente se eliminarán todos los vectores fuera de la máscara.
  10. Evaluar la calidad de los resultados: a) ¿Los resultadossentido físico? (Es decir, velocidades más lentas cerca de la frontera, el aumento de las velocidades al aumentar la distancia desde la pared; la dirección de los vectores de seguir la dirección general del flujo, etc); b) El campo de vector resultante se compone en gran parte de los vectores de primera elección (indicado por el software de procesamiento de PIV). Por lo general se recomienda que la fracción de los vectores de primera elección sea mayor que 95%. Una gama más amplia de pasos de procesamiento posterior se describe en la literatura, por ejemplo, 1,2.

Representative Results

Una foto de la puesta a punto se muestra en la Figura 1. Imágenes de partículas en bruto, de una ventana de 32 x 32 píxeles de interrogación junto a la pared a partir de dos imágenes consecutivas capturadas se muestran en la Figura 2. Las partículas en la figura 2a se desplazan 2-3 píxeles a la derecha en la figura 2b y satisfacen la "regla de la cuarta parte," que establece que los desplazamientos de partículas en el plano y fuera del plano no debe exceder ¼ del tamaño de la ventana de interrogación . Además, la densidad de las partículas por ventana de interrogación debe ser aproximadamente 8-10 partículas ya que los algoritmos de correlación de PIV seguimiento de grupos de partículas. Sin embargo, la densidad de siembra en cerca de la pared de PIV investigaciones es a menudo del orden de partículas de 1-3. Por lo tanto, los algoritmos especiales se deben utilizar para hacer frente a los estudios con menor densidad de siembra, tales como el seguimiento de los algoritmos de velocimetría de partículas (PTV), que registran las partículas individuales 1,2,4-6. Un enfoque correlación promediada en el tiempo7,8 también se puede usar para abordar los problemas de baja densidad de siembra pero esto generalmente resulta en la pérdida de resolución temporal. Adicionalmente, formación de imágenes cerca de las paredes se ve afectada por los reflejos del láser brillantes que pueden afectar negativamente a las correlaciones de PIV y producir vectores falsos. Estos reflejos brillantes también limitan la posición de la primera vector de velocidad válido en la dirección normal de la pared. Pre-procesamiento de las imágenes de partículas primas es necesaria para reducir el impacto del ruido de fondo a partir de fuentes tales como reflejos del láser. En esta demostración el primer vector válido se encuentra a 23 m de la pared.

Después de imágenes de partículas primas son procesadas usando los algoritmos de correlación de PIV, la calidad y la validez de los campos de vectores de velocidad resultantes deben ser evaluados. Vectores espurias son inevitables en los campos de vectores primas, pero hay algunas características distintivas. Vectores incorrectos son comunes cerca de superficies, en los bordes de la hoja de la luz, y en los bordes oflujo de fa. Además, la magnitud y dirección de los vectores no válidos difieren significativamente de vectores vecinos y no tendrán sentido físico. En el caso de este ejemplo de flujo de la capa límite, los vectores de velocidad válidos deben apuntar de izquierda a derecha, como los desplazamientos de partículas de la Figura 2 indican. Además, las velocidades deben disminuir cerca de la pared debido a la condición de no deslizamiento 9. Los campos de velocidades instantáneas que se muestran en la Figura 3 se ajustan ambos de estos criterios físicos. Otra medida útil para evaluar la validez de los resultados de PIV es para determinar la elección del vector de cada vector en el campo de vector de velocidad. En general, el campo de vector debe consistir de> = 95% vectores de primera elección, es decir, aquellos que no requería de post-procesamiento, por lo que los algoritmos de post-procesamiento sólidas se pueden usar para detectar y reemplazar vectores espurias sin producir artefactos considerables 2. Los campos de vectores instantáneas muestran en

La importancia de, las mediciones de PIV de alta velocidad, o cinematográfica se hace evidente a partir de una inspección de una secuencia de tiempo de imágenes de flujo. Campos de vectores de velocidad instantánea (V i) y la fluctuación de velocidad (V ') al principio, en medio y al final de la secuencia de registro se muestran en la Figura 3. Uso de una descomposición de Reynolds, V i es la suma del campo de velocidad promediada ( Ecuación ) Y V '10. Para este experimento, Ecuación se determinó promediando temporalmente todas las imágenes de la secuencia. Los campos de vectores instantáneos a travésla secuencia de grabación son muy similares y muestran el flujo de movimiento de la izquierda a la derecha. Estos resultados también indican que el flujo es predominantemente en la dirección horizontal desde el componente de velocidad horizontal (u) es mucho más grande que el componente vertical de la velocidad (v). Los campos de vectores de fluctuación también indican que las fluctuaciones de la velocidad horizontal (u ') son más grandes que las fluctuaciones de la velocidad vertical (V'). Sin embargo, las fluctuaciones también indican que el flujo se ralentiza puesto que u 'invierte su dirección a lo largo de la secuencia de grabación.

U El tiempo promedio e instantáneo - perfiles en varios momentos diferentes a lo largo de la secuencia de grabación se muestra en la Figura 4 y verifique que el flujo se ralentiza en el tiempo. La u - perfiles quevolver a determinarse promediando cuatro columnas vector adyacentes juntos para mejorar la significación estadística de los resultados próximos a la pared. El procedimiento fue utilizado en trabajos anteriores 6,8. Las barras de error indican el doble de la desviación estándar de las cuatro columnas de vectores adyacentes. La mayor barra de error se produce cerca de la superficie de la placa y reafirma la dificultad de utilizar algoritmos de correlación de PIV para áreas de baja densidad de siembra. Varios algoritmos de análisis están diseñados para hacer frente a la baja densidad de siembra como PTV 5,6 y enfoques correlación tiempo-un promedio de 7,8.

Figura 1
Figura 1. Montaje de sobremesa.

La figura 2
Figura 2. Imágenes de partículas en un interrogatorio 32 x 32 píxeles cerca de la pared a una) t = 0,2 mseg y b) t = 0,4 mseg. Las dimensiones físicas de la ventana de interrogación son 96 x 96 micras 2.

Figura 3
Figura 3 A la izquierda:. Instantánea (V i), y el de la derecha: campos de velocidad de fluctuación (V ') al principio, en medio y al final de la secuencia de la grabación. Los campos vectoriales se componen enteramente de los vectores de primera elección. Un subconjunto más pequeño de los campos de vectores se muestra para mayor claridad. Los campos i V indican el flujo se mueve de izquierda a derecha, mientras que la dirección inversa V '. Tenga en cuenta que sólo uno de cada vector columna cuarta en la dirección horizontal se muestra para mayor claridad. Además, La escala de la velocidad entre los campos de V 'V i y es diferente según se indica en la esquina superior izquierda de cada imagen.

Figura 4
Figura 4. Velocidad de perfiles horizontales (u) en diferentes momentos a lo largo del flujo. Tiempo promedio de u - perfil se muestra con círculos. Las barras de error que se muestran en t = 0,1 mseg perfil son representativos de las barras de error para todos los otros momentos. La evolución temporal de los perfiles u - muestra una disminución en el flujo a través del tiempo.

Discussion

Como con cualquier técnica de medición de flujo óptico, la planificación de la configuración de alta velocidad velocimetría de imagen de partículas (PIV) requiere evaluación de las restricciones y de la evaluación de las mejores compromisos para la tarea de medición en cuestión. La selección de la magnificación de la imagen, la velocidad de fotogramas, propiedades de la hoja de láser, y algoritmos de análisis depende de detalles del flujo bajo estudio. Si es necesario, las mediciones de exploración deben llevarse a cabo para identificar los ajustes de los parámetros para las mediciones de alta fidelidad.

En este artículo se describe el procedimiento general y algunos resultados de muestra para PIV de alta velocidad para el estudio de la capa límite del flujo a lo largo de una placa plana. Una secuencia de 500 imágenes se registró a 5 kHz. Un microscopio de larga distancia se utiliza para lograr un x 2 mm campo de visión 2.4 1.8 situado en la superficie de la placa. Iluminación de alta calidad de las gotitas de aceite de semilla se logró con un haz de un láser bombeado por diodo de estado sólido pulsado que se amplió en una mierda de luzEET utilizando un homogeneizador de haz. El homogeneizador haz contiene una matriz de micro-lente hecha de pequeñas lentes cilíndricas y un telescopio adicional integrado. El arsenal de la micro-lente se expande el haz circular en la dirección vertical por dividir el haz entrante en haces elementales. A continuación, el siguiente telescopio superpone los beamlets para crear una hoja de luz con una distribución de intensidad uniforme de la luz en el plano de lámina de luz normal a la propagación del haz. Las imágenes fueron procesadas utilizando un algoritmo de correlación cruzada de PIV. Cabe señalar que un haz homogeneizada es útil, especialmente cuando se trabaja cerca de superficies, pero no es crucial para la aplicación descrita aquí.

El método descrito en este procedimiento permite no intrusivos de alta resolución de las investigaciones y de alta velocidad de los flujos de correlación utilizando algoritmos robustos. Las ventajas clave de esta técnica de medición de alta resolución, de alta velocidad son de alta resolución espacial y temporal y la capacidad de identificar y realizar un seguimientola evolución de las estructuras dentro del flujo. El uso de estas técnicas, Alharbi 6 y Jainski et al. 8 han demostrado la capacidad de visualizar y realizar un seguimiento estructuras de vórtice dentro de la capa límite de un motor de combustión interna. Estas características clave permiten a las investigaciones sobre la estructura y la dinámica de los flujos altamente transitorios. Además, PIV puede ser expandido más allá de la, de dos componentes de dos dimensiones (2D-2C) campos de velocidad (como se describe aquí) para resolver 3-componentes (3C) en un plano (estéreo-PIV) y en un volumen (PIV tomográfico , escaneo PIV, holográfico PIV). Además, PIV se puede implementar con otras técnicas tales como plana fluorescencia inducida por láser (PLIF), se filtró la dispersión de Rayleigh (NIF), y fósforos termográficas para lograr mediciones 2D al mismo tiempo de la velocidad y otros escalares (temperatura, concentración de especies, relaciones de equivalencia) 11 -14. Estos métodos ópticos, basados ​​en láser se pueden aplicar directamente a investigar la masa yprocesos de intercambio de energía en muchas aplicaciones, tales como cerca de la pared de los flujos en un motor de combustión interna.

Disclosures

Los autores tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este material está basado en trabajo apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias de los EE.UU. con la subvención No. CBET-1032930 y el trabajo realizado en la Universidad de Quantitative Laboratorio Diagnóstico láser de Michigan.

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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