Alta velocità Particle Image Velocimetry prossimità di superfici

Engineering
 

Summary

Una procedura per lo studio dei flussi intermedi vicini confini con alta risoluzione, alta velocità velocimetria immagini di particelle (PIV) è descritto qui. PIV è una tecnica di misura non intrusiva applicabile a qualsiasi flusso otticamente accessibile, ottimizzando diversi vincoli di parametri quali l'immagine e la registrazione di proprietà, le proprietà del foglio laser, e algoritmi di analisi.

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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

Flussi multi-dimensionali e transitoria svolgono un ruolo chiave in molte aree della scienza, l'ingegneria e le scienze della salute, ma spesso non sono ben compresi. La natura complessa di questi flussi può essere studiato utilizzando particelle velocimetria immagine (PIV), una tecnica di imaging laser-based per i flussi otticamente accessibili. Benchè molte forme di PIV esistono che si estendono oltre la tecnica planare originale capacità di misurazione di velocità a due componenti, il sistema PIV base consiste di una sorgente di luce (laser), una macchina fotografica, particelle traccianti, e algoritmi di analisi. I parametri di imaging e la registrazione, la sorgente luminosa, e gli algoritmi sono regolati per ottimizzare la registrazione per il flusso di interesse e di ottenere dati di velocità validi.

Comune PIV indagini misurano velocità a due componenti in un aereo a pochi fotogrammi al secondo. Misurazioni frame rate elevato (> 1 kHz) Tuttavia, i recenti sviluppi nella strumentazione hanno facilitato in grado di risolvere transizioneent scorre con alta risoluzione temporale. Pertanto, le misure ad alto tasso di telaio hanno indagini abilitati sull'evoluzione della struttura e la dinamica dei flussi altamente transitori. Queste indagini hanno un ruolo fondamentale nella comprensione della fisica fondamentali di flussi complessi.

Una descrizione dettagliata per eseguire ad alta risoluzione e ad alta velocità planare PIV studiare un flusso transitorio vicino alla superficie di una piastra piana è presentato qui. Dettagli per regolare i vincoli dei parametri quali l'immagine e le proprietà di registrazione, le proprietà del foglio laser, e algoritmi di elaborazione di adattarsi PIV per qualsiasi flusso di interessi sono inclusi.

Introduction

Misure multi-dimensionali di velocità e la possibilità di monitorare il campo di moto in tempo forniscono informazioni critiche in molte aree della scienza, l'ingegneria e scienze della salute. Tra le tecniche più utilizzate per l'imaging del flusso è particella velocimetria immagine (PIV). Inizialmente stabilito come tecnica planare che istantanee misurate dei due in-plane componenti di velocità, le varianti PIV sono state sviluppate per fornire funzionalità a tre componenti e Misurazione del volume. Tutti i sistemi PIV consistono di particelle traccianti, una o più fonti di luce e una o più telecamere. Particelle solide o goccioline sono comunemente usati come particelle traccianti ma bolle inerenti al flusso possono anche essere utilizzate come particelle traccianti. La telecamera (s) allora immagine (s) sparsi o luce dalle particelle traccianti emessa dopo che sono irradiati dalla sorgente luminosa (s). Tra la vasta gamma di variazioni di 1,2 il più comune coglie due componenti di velocità in un piano ad un topoe di un paio di fotogrammi al secondo. Più di recente, la nuova strumentazione ha permesso misurazioni frame rate elevato (> 1 kHz) che seguono il flusso nelle scale di tempo turbolento nella gamma kHz.

PIV determina un campo di velocità rilevando il movimento medio di gruppi di particelle da una coppia di immagini che sono separati da un ritardo di tempo noto. Ogni immagine è divisa in una griglia di finestre di interrogazione regolarmente spaziati. La dimensione più comune finestra di interrogazione è di 32 x 32 pixel. Un algoritmo calcola la funzione di cross-correlazione per tutte le finestre di interrogazione, risultante in un vettore di spostamento per ogni finestra di interrogazione e quindi produce una griglia regolare di vettori. Dividendo il campo vettore spostamento dal ritardo determina poi il campo vettoriale della velocità.

Quando si pianifica misure PIV è importante rendersi conto che in genere la scelta di impostazioni sperimentali è un compromesso tra esigenze contrastanti. In altre parole, l'esperimentocondizioni mentali devono essere attentamente pianificato per catturare gli aspetti del flusso che sono di importanza per lo studio a mano. I libri di Raffel et al. 1 e Adrian e Westerweel 2 forniscono eccellenti discussioni approfondite di questi vincoli. Qui si evidenziano diversi che sono più critici nel contesto attuale.

La scelta del campo di vista (FOV) imposterà il punto di partenza per la selezione dei parametri qui. Il numero di pixel sul chip della camera determina quindi la risoluzione spaziale e il numero di vettori che sono ottenuti, supponendo che si sceglie di utilizzare dimensioni della finestra di interrogazione di 32 x 32 pixel, spesso con una sovrapposizione del 50% durante la procedura di cross-correlazione. Una densità di semina di 8-10 particelle per finestra di interrogazione è generalmente voluta per aiutare la funzione di cross-correlazione. Tuttavia, ci sono algoritmi speciali, come particelle di inseguimento velocimetry (PTV) e approcci di correlazione medie nel tempo, che potrebberoessere utilizzato per affrontare situazioni con bassa densità di semina (1-3 particelle / finestra di interrogazione), come è il caso con l'imaging in prossimità di superfici. Si noti che i gradienti di velocità all'interno di ogni finestra di interrogazione devono essere piccole per evitare una polarizzazione nel vettore rappresentante risultante per quella finestra.

Un consolidato regola del pollice è che gli spostamenti delle particelle tra il primo e il secondo telaio non dovrebbe superare 8 pixel (¼ della dimensione della finestra di interrogazione) per ridurre il numero di perdite di accoppiamento (perdita di immagini di particelle all'interno della finestra di interrogazione dal primo fotogramma al secondo frame) per la correlazione. Come risultato, il tempo tra i due impulsi laser consecutivi (dt) deve essere adattato di conseguenza. Tuttavia, la riduzione dt sotto dell'equivalente di spostamenti di 8 pixel ridurrà la gamma dinamica di velocità perché il limite di risoluzione estremità inferiore è dell'ordine di 0,1 spostamento di pixel.

Simile al dislocamento 8-pixel well'ambito e il piano dell'immagine, le particelle più alta velocità non deve attraversare più di ¼ dello spessore foglio leggero, sempre per ridurre il numero di perdite di accoppiamento. Poiché il ritardo di tempo tra i due impulsi laser viene utilizzato per garantire le migliori correlazioni all'interno del piano foglio leggero, lo spessore della lamiera è una variabile in questo contesto. Mentre l'uniformità della intensità della luce non è così critica come lo è per misurazioni di intensità-based come planare fluorescenza indotta da laser di imaging 3, un profilo fascio top-hat vicino aiuta PIV qualità, specialmente per immagini a risoluzione più elevata.

In generale, alcune ipotesi sulla natura del flusso in esame può essere utilizzato come punto di partenza nella scelta dei parametri sperimentali. Quindi, potrebbero essere necessari esperimenti esplorativi per raffinare le impostazioni.

Qui si descrive come impostare un esperimento PIV che consente di effettuare misure di imaging di frame rate elevati dei due velocità componenti con risoluzione spaziale, che è sufficiente per risolvere strutture di strato limite. Ciò si ottiene con l'uso di un elevato tasso di ripetizione TEM-00 pompato a diodi laser a stato solido, un microscopio a lunga distanza, e una fotocamera telaio alto tasso CMOS. Sono inclusi anche alcuni dettagli sulla rappresentazione in prossimità di superfici.

Protocol

1. Laboratorio di Sicurezza

  1. Recensione di materiale di sicurezza del laser prima di utilizzare un laser e di garantire che i requisiti di formazione sono state soddisfatte.
  2. Ottenere l'attrezzatura di sicurezza corretta per il lavoro con i laser. Ogni individuo dovrebbe indossare un paio di occhiali di protezione laser che bloccano le emissioni lunghezza d'onda del laser (s). Installare un segnale di avvertimento al di fuori del laboratorio per far sapere agli altri quando il laser è in funzione. Hang laser tende di sicurezza in tutto il banco ottico per isolarlo da altri colleghi in uno spazio laboratorio condiviso.
  3. Rimuovere tutti gli orologi e gioielli quando si lavora con i laser.
  4. Considerare il percorso del fascio durante l'impostazione usate: impostare attrezzature in modo che le regolazioni non richiederà portata al di sopra o al di sotto della trave.
  5. Leggere il manuale del laser per determinare come utilizzare il laser in modo sicuro.
  6. Tenere il livello degli occhi fuori dal piano del raggio laser!

2. Da banco Set-up

  1. Determinare l'ingrandimento tcappello sarà richiesto per l'applicazione e scegliere l'obiettivo appropriato. L'ingrandimento (M) può essere determinata dividendo la lunghezza del chip telecamera con la corrispondente lunghezza del campo di vista (FOV). In questo esempio, la lunghezza del chip fotocamera è 17,6 millimetri e la lunghezza corrispondente del FOV è di 2,4 millimetri. Pertanto, M = 17,6 millimetri / 2,4 mm = 7,33. Un microscopio lunga distanza è qui utilizzato per raggiungere questo FOV più piccolo.
    1. Eseguire alcuni calcoli approssimativi di velocità previsti nella regione vicino-muro. Utilizzare queste stime per determinare i parametri di registrazione, come ad esempio la frequenza di fotogrammi e il tempo di ritardo in base alle linee guida pratiche per PIV 1,2. Determinare il tempo necessario per una particella di viaggiare 8 pixel. Ciò determinerà il tempo di ritardo tra ogni impulso laser (dt). In serie temporali PIV, 1/DT determinerà la necessaria frame rate telecamera e deve essere più piccola della frequenza massima consentita dalla fotocamera. Piccoli aggiustamenti a questi parametri puòsuccessivamente necessario ottimizzare il flusso di registrazione per ottenere i dati di velocità di alta qualità. Se il frame rate richiesta supera il tasso massimo di ripetizione del laser, due laser possono essere usati per eseguire PIV in modalità frame-cavallo. Per questo esempio, la frequenza di quadro (5 kHz) non supera il tasso massimo di ripetizione del laser e quindi solo un singolo laser è necessaria per eseguire PIV in modalità time-series.
  2. Livellare il laser rispetto al tavolo
    1. Impostare la testa laser ad una estremità di un tavolo livello ottico. Posizionare una discarica fascio direttamente nel percorso ottico all'altra estremità del tavolo.
    2. Posizionare una guida ottica tra la testa del laser e la discarica fascio. Tape un obiettivo di un bloccante del fascio, fissare il blocco del fascio di un vettore e posizionare il supporto sulla guida.
    3. Impostare la corrente di un ambiente a bassa corrente laser - abbastanza per Lase ma non abbastanza per bruciare un foglio di carta. Accendere il laser e far scorrere il supporto in avanti e indietro. Fare piccole modifiche alla posizione di unt laserIl centro del fascio laser rimane in un posto come il carrello si sposta avanti e indietro. Fissare il laser al tavolo ottico.
    4. Misurare l'altezza del centro del raggio laser utilizzando un quadrato combinazione. Spegnere il laser.
  3. Installare lamiera laser formano ottica
    1. Rimuovere rail ma posizionare il fascio bloccante con l'obiettivo di fronte alla discarica fascio. Accendere il laser e marcare attenzione dove il centro del fascio colpisce il bersaglio. Posizionare il foglio formando ottica, che è il fascio omogeneizzatore (BH) che include anche un foglio formando telescopio in questa dimostrazione, nel percorso laser per formare il foglio laser. L'altezza del foglio laser deve essere più grande del FOV. Regolare la posizione del centro di BH l'altezza e la larghezza del foglio laser sul segno sul bersaglio e per trattenere le riflessioni di viaggiare indietro nella cavità laser. Posizionare una apertura tra la testa laser e BH se necessario per evitare riflessi indietro. Spegnere il laser. Il lfoglio ight in questa dimostrazione aveva una altezza di 8 mm e uno spessore di 0,5 mm, rispettivamente, e una energia di impulso di 0,4 mJ / impulso.
    2. Se lo spazio è limitato sul tavolo ottico, mettere un 45 ° a specchio ad alta riflettività per trasformare il foglio di luce laser di 90 °. Nastro di un altro obiettivo di un bloccante del fascio, fissare il blocco del fascio di un vettore e posizionare il supporto sulla guida. Posizionare il gruppo ferroviario dopo lo specchio. Accendere il laser. Effettuare piccole correzioni allo specchio fino a quando il centro del foglio luce rimane in un posto sul bersaglio mentre scivola lungo il binario.
    3. Impostare la frequenza di ripetizione del laser per abbinare il frame rate per le misure (5 kHz per l'esempio discusso qui) e impostare la corrente al valore massimo del laser. Mettere una ferroviario tra la BH e di destinazione. Collegare un secondo fascio bloccante al vettore e posizionare il montaggio sulla guida. Accendere il laser. Far scorrere il supporto avanti e indietro per determinare la posizione del punto focale dal BH. Segnare la posizione del FOCal punto relativo al BH. Se viene usato uno specchio, rendere misura relativa allo specchio. Misurare l'altezza approssimativa del foglio laser nel punto focale. Spegnere il laser.
  4. Montare e regolare lunga distanza microscopio e della fotocamera
    1. Segna gli assi orizzontali e verticali del microscopio a lunga distanza (LDM) e aperture della fotocamera utilizzando un quadrato di centraggio e la piazza combinazione. Misurare la distanza tra la tavola e gli assi orizzontali del LDM e telecamera.
    2. Fissare la LDM e la macchina fotografica per i vettori e utilizzare eventuali distanziali, come rondelle o dadi, in modo che gli assi orizzontali del LDM e la macchina fotografica sono alla stessa altezza. Fissare la LDM e la telecamera sulla guida. Fissare la LDM e la fotocamera utilizzando gli appositi adattatori. Regolare l'altezza del gruppo in modo che gli assi orizzontali sono alla stessa distanza sopra il tavolo come il centro del foglio leggero.
    3. Fissare un palco traduzione davanti al contrassegno per il po focaleint della trave. Il moto della piattaforma di traslazione sarà parallelo alla propagazione del fascio. Fissare la guida con il gruppo videocamera alla fase di traduzione in modo che l'intero assemblaggio è perpendicolare al foglio leggero. Centrare il gruppo telecamera allineando gli assi verticali della LDM e la macchina fotografica con il punto focale.
    4. Collegare la fotocamera al computer e il controller ad alta velocità (HSC). Collegare il laser per l'HSC. Tenere il cappuccio del gruppo fotocamera e eseguire una calibrazione dell'intensità nel programma software PIV (LaVision Davis 7.2).
    5. Nel programma software per impostare la fotocamera sulla modalità grab continuamente e togliere il tappo del gruppo telecamera. Inserire un quadrato combinazione al punto focale. Spostare la telecamera e LDM lungo la guida fino un'immagine nitida del sovrano viene messa a fuoco. Continuare a spostare la telecamera e LDM lungo la ferrovia e portare l'immagine a fuoco usando asta focalizzazione del LDM finché il chip della fotocamera si estende il campo di vista desiderato (2.4 x 1.8 mm 2 corrispondente ad un chip di pixel 800 x 600).
  5. Fissare una piastra di un supporto in modo che sia parallelo al tavolo e posizionarlo nel punto focale. Sollevare la piastra in modo che sia visibile nelle immagini sul computer. Spegnere continuo afferrare e tappo il gruppo telecamera. Accendere il laser e assicurarsi che il fascio di luce laser rende contatto lungo la superficie della piastra.

3. Portata Set-up

  1. In questa dimostrazione, PIV viene effettuata registrando immagini di luce diffusa da goccioline di olio di silicone. Le goccioline di olio vengono creati utilizzando un atomizzatore dell'olio. Collegare i seguenti elementi fino ad un rifornimento d'aria: il filtro antiparticolato, filtro olio, regolatore di pressione, misuratore di flusso di massa, e atomizzatore olio. Collegare l'uscita del atomizzatore ad un tubo in acciaio. Utilizzare un supporto e morsetto per fissare il tubo in acciaio al tavolo ottico, elevare il tubo sopra il tavolo e dirigerla verso il piatto.
  2. Aprire la valvola di alimentazione dell'aria. Impostare la schienapressione sul regolatore di pressione a> 140 kPa per creare un flusso sufficiente attraverso il sistema.
  3. Accendere il flusso e regolare la densità di semina attraverso i getti atomizzatori e le valvole di bypass su l'atomizzatore.

4. Ottimizzazione del Set-up

  1. Inserisci il frame rate nel programma software. Controllare che la HSC sta inviando un segnale di trigger che corrisponde al frame rate al laser. L'alimentazione del laser, impostare la frequenza di ripetizione e corrente (5 kHz e 15,5 A in questo esempio, rispettivamente). Impostare il laser in modalità esterna. Il laser deve ricevere continuamente un segnale di trigger dal HSC corrispondente alla frequenza di ripetizione impostata sul laser prima di passare alla modalità esterna oppure il laser si surriscaldi.
  2. Impostare la fotocamera per catturare continuamente, accendere il laser, e accendere l'atomizzatore. Utilizzare l'asta di messa a fuoco sulla LDM per assicurarsi che le immagini delle particelle sono a fuoco. Assicurarsi inoltre l'intensità delle immagini di particelle non è saturare la cammaepoca. Se è così, abbassare il laser attuale - questo influenzerà la posizione del punto focale! Ripetere i punti 2.3.3 e 2.4.3, se corrente laser è cambiato. Disattivare la modalità di afferrare quando le immagini delle particelle focalizzate sono raggiunti.
  3. Record, revisione, e regolare i parametri per ottenere i dati di velocità validi
    1. Registrare diverse centinaia di immagini del flusso. Dopo la registrazione è terminata, controllare le immagini registrate per assicurarsi che le particelle non si spostano più di 8 pixel, che la densità di semina è dell'ordine di 8-10 particelle per 32 x 32 pixel finestra di interrogazione, e di verificare la messa a fuoco delle immagini . Ripetere i punti 4.3.1-4.3.4 finché non sono stati soddisfatti i criteri precedenti.
    2. Se le particelle stanno spostando più di 8 pixel, diminuire il dt tra i due impulsi laser PIV per raggiungere un massimo di 8 turni pixel. Se le particelle stanno spostando sostanzialmente meno di 8 pixel, aumentare il dt conseguenza. Per sistemi laser PIV singoli, il dt viene modificata cambiando il frame rate e conseguentementela frequenza di ripetizione del laser. Per PIV usando due laser, dt è il ritardo di tempo tra un impulso dal primo laser e un impulso dal secondo laser. Se dt regolazione non risolve il problema, il frame rate e tassi di ripetizione del laser possono essere regolati prima e poi dt possono avere bisogno di essere di nuovo messo a punto.
    3. Se è difficile tenere traccia gruppi di particelle tutta una serie di immagini, ci possono essere troppo movimento out-of-plane. Ci sono diversi modi per affrontare questo problema: a) compensare il gruppo telecamera dal punto focale in modo che la fotocamera è di imaging un foglio leggero più spessa, b) aumentare la distanza di lavoro tra la fotocamera e la luce di assemblaggio aereo foglio (e mettere a fuoco usando asta concentrandosi ) per ottenere una maggiore profondità di fuoco, tuttavia, questo riduce la risoluzione spaziale.
    4. Se la densità di semina è troppo scarsa o troppo denso, aumentare o diminuire il numero di getti atomizzatore.

5. Esecuzione dell'esperimento

  1. Eseguire un cameruna calibrazione intensità con il tappo sul gruppo videocamera per impostare un riferimento per l'intensità. Una volta che la calibrazione è terminata, rimuovere il tappo.
  2. Impostare il laser per la frequenza di ripetizione ottimizzata e corrente. Prima di accendere il laser in modalità esterna, assicurarsi che il laser riceve un segnale di attivazione continua che corrisponde alla frequenza impostata. Accendere il laser.
  3. Registrare una sequenza di immagini di solo la luce foglio radente la superficie della piastra di fondo. Salva queste immagini.
  4. Accendere il flusso e consentire il flusso si stabilizzi.
  5. Impostare la fotocamera per afferrare e verificare che la fotocamera sta raccogliendo le immagini di particelle focalizzate continuamente. Disattivare la modalità grab continuo.
  6. Digitare il numero desiderato di immagini e premere record.
  7. Una volta terminata la registrazione, spegnere il flusso e laser. Rivedere la sequenza di immagini e controllare il passaggio delle particelle, densità di semina, e particelle messa a fuoco dell'immagine. Salvare la registrazione, se passi ripetere soddisfatti oppure 5,4-5,7. Ripetere i passaggi 5,4-5,7 per raccogliere altre corse.
  8. Aumentare il tempo di esposizione (la quantità di tempo per frame che la telecamera sta raccogliendo immagini) della telecamera.
  9. Impostare un profilo di calibrazione nel piano foglio di luce e assicurarsi che entra in contatto con la piastra. Illuminare il bersaglio da dietro con una sorgente di luce (ovvero torcia elettrica). Con la fotocamera in modalità grab continuo, regolare il target in modo che l'immagine registrata è a fuoco e non distorta. Assicurarsi che il punto di contatto tra la piastra e il bersaglio è visibile nell'immagine - questo è fondamentale per determinare la posizione della piastra nelle immagini.
  10. Registrare 10 immagini del profilo di calibrazione. Ripetere i passaggi 5,9-5,11 ogni volta che il gruppo videocamera o il fuoco è cambiato.

6. Elaborazione dati

  1. Il programma software PIV usato in questa dimostrazione è stata LaVision Davis 8.1. Media ogni set di immagini di calibrazione. Utilizzare l'immagine risultante nella calibrazione rouTine per determinare le dimensioni vere del mondo delle immagini acquisite.
  2. Applicare ogni calibrazione al corrispondente set di immagini.
  3. Determinare la posizione della piastrina nelle immagini calibrate. Questa informazione è necessaria a creare una maschera geometrica (descritto in 6.6).
  4. Mediare le immagini di sfondo. Determinare se laser riflessi dalla superficie contribuiscono significativamente il rumore di fondo confrontando l'intensità conteggi dell'immagine media sfondo all'intensità conteggi di particelle semina. Luminoso laser riflessi vicino al muro avranno intensità superiore intensità di particelle. Questo si ripercuota negativamente le correlazioni PIV vicino alla parete e limitare la posizione del primo vettore affidabile vicina alla parete. In questo esempio, le riflessioni laser non hanno contribuito significativamente allo sfondo.
  5. Pre-processo le immagini di flusso calibrato utilizzando un filtro passa-alto (sottrarre scorrevole filtro di fondo) per rimuovere grandi fluttuazioni di intensitàzioni in background, quali riflessioni laser. Segnali di particelle sono piccole fluttuazioni di intensità e passerà attraverso il filtro.
  6. Definire una maschera geometrica - utilizzare una maschera rettangolare per disabilitare il calcolo vettoriale in cui la placca si trova nelle immagini. Nota: Davis ha due opzioni per maschere geometriche: una che consente PIV correlazioni all'interno della regione determinata e uno che disattiva PIV correlazioni all'interno della regione determinata. Una maschera per abilitare l'algoritmo PIV all'interno dell'area specificata stato usato in questa dimostrazione.
  7. In un menu "Avanzate maschera impostazioni", assicurarsi che la maschera viene applicata in modo appropriato (cioè usare solo pixel all'interno della maschera).
  8. Specificare il metodo di calcolo vettoriale: in questo esempio è stata utilizzata una procedura multi-pass con il diminuire della dimensione della finestra - 2 passaggi iniziali utilizzando 64 x 64 finestre interrogatorio pixel con sovrapposizione del 50% seguiti da 3 passaggi utilizzando 32 x 32 finestre interrogatorio pixel con sovrapposizione del 50% .
  9. I campi vettoriali di velocitàin questa dimostrazione sono stati post-elaborati utilizzando cinque subroutine per migliorare la qualità dei risultati di cross-correlazione: a) fare la maschera permanente, b) Rimuovere vettori con un rapporto di picco (Q) <1.1; c) Applicare un filtro mediano, d) Rimuovere i gruppi con <5 vettori e) Applicare vettore riempire-up. Il rapporto di picco (Q) è definito come Equazione , Dove P1 e P2 sono i primi e il secondo picco di correlazione più alti, rispettivamente, e min è il valore minimo nel piano correlazione. Q è un parametro per valutare la qualità di un vettore. Q confronta l'alto picco di correlazione, che determina il miglior vettore, allo sfondo comune correlazione rappresentato dal secondo più alto picco di correlazione. Vettori con Q 1 vicino sono un'indicazione che il picco di correlazione più elevato è un picco falsa. Successivamente, il filtro mediano determina il vettore mediana (u mediana, v mediana) Di un gruppo di vettori e la deviazione dei vettori vicini (rms u, v rms). Il filtro mediano rifiuta il vettore medio (u, v), se non si adatta ai seguenti criteri: u mediano - u rms ≤ u ≤ u mediano + u rms e v mediano - V rms ≤ v ≤ v mediana + V rms. Inoltre, è possibile ottenere gruppi di vettori spuri se è stato specificato un grande sovrapposizione nel calcolo del vettore velocità. Pertanto, è possibile rimuovere i gruppi di vettori con meno di un numero specificato di vettori. Una volta vettori spuri vengono rimossi, vettore riempire possono essere utilizzati per riempire gli spazi vuoti con i vettori interpolati determinati da vettori vicini non-zero. Infine, applicare la maschera in modo permanente cancellerà eventuali vettori di fuori della maschera.
  10. Valutare la qualità dei risultati: a) fare i risultatisenso fisico? (Cioè velocità più lente vicino il contorno, aumentando velocità all'aumentare della distanza dalla parete, la direzione dei vettori seguire la direzione generale del flusso, ecc); b) Il campo vettore risultante è largamente composto di vettori di prima scelta (indicato da il software di elaborazione PIV). Tipicamente, si raccomanda che la frazione di vettori di prima scelta sia superiore al 95%. Una gamma più ampia di operazioni di post processing è descritto in letteratura, ad esempio 1,2.

Representative Results

Una foto del set-up è mostrato in Figura 1. Immagini di particelle grezze di una finestra di interrogazione 32 x 32 pixel vicino al muro da due immagini consecutivamente catturate sono mostrati in Figura 2. Le particelle in Figura 2a sono spostati 2-3 pixel a destra in Figura 2b e soddisfano la "regola di un quarto", in cui si afferma che nel piano e fuori dal piano spostamenti delle particelle non devono superare ¼ della dimensione della finestra di interrogazione . Inoltre, la densità di particelle per ogni finestra di interrogazione dovrebbe essere a circa 8-10 particelle da algoritmi di correlazione PIV monitorare gruppi di particelle. Tuttavia, la densità di semina in near-wall PIV indagini è spesso nell'ordine di 1-3 particelle. Così, speciali algoritmi dovrebbero essere utilizzati per affrontare gli studi con densità di semina più bassa, come ad esempio particelle di tracciamento velocimetria (PTV) algoritmi che replicano singole particelle 1,2,4-6. Un approccio correlazione tempo-mediata7,8 può essere utilizzato anche per affrontare le questioni a bassa densità di semina, ma questo in genere comporta la perdita di risoluzione temporale. Inoltre, l'imaging in prossimità di muri è influenzato dai riflessi laser luminosi che possono influenzare negativamente PIV correlazioni e produrre falsi vettori. Queste riflessioni luminose limitano anche la posizione del primo vettore di velocità valido per la direzione normale parete. Pre-elaborazione delle immagini di particelle grezzi è necessaria per ridurre l'impatto del rumore di fondo da fonti come riflessioni laser. In questa dimostrazione del primo vettore valida era situato 23 micron dalla parete.

Dopo le immagini di particelle grezzi vengono elaborati utilizzando gli algoritmi di correlazione PIV, la qualità e la validità dei campi vettoriali di velocità risultante dovrebbero essere valutati. Vettori spuri sono inevitabili nei campi vettoriali prime, ma ci sono alcune caratteristiche distintive. Vettori errati sono comuni vicino a superfici, ai bordi del foglio leggero, e per il bordo oflusso fa. Inoltre, la grandezza e la direzione di vettori non validi differiscono significativamente da vettori vicini e non avranno senso fisico. Nel caso di questo esempio di flusso di strato limite, i vettori di velocità vigenti dovrebbero puntare da sinistra a destra come gli spostamenti delle particelle di Figura 2 indicano. Inoltre, le velocità dovrebbero diminuire vicino alla parete dovuto alla condizione antiscivolo 9. I campi di velocità istantanei mostrati nella Figura 3 inseriscono entrambi questi criteri fisici. Un altro parametro utile per valutare la validità dei risultati PIV è quello di determinare la scelta del vettore di ciascun vettore nel campo vettore velocità. In generale, il campo vettoriale dovrebbe consistere> = 95% prima vettori scelta, cioè quelli che necessaria alcuna post-elaborazione, in modo che gli algoritmi di post-elaborazione robuste possono essere utilizzati per rilevare e sostituire vettori spuri senza produrre notevoli artefatti 2. I campi vettoriali istantanei mostrati in

Il significato di alta velocità, o per la cinematografia, misure PIV risulta evidente da un controllo di una sequenza temporale di immagini di flusso. Campi vettore velocità istantanea (V i) e la velocità di fluttuazione (V ') all'inizio, metà e fine della sequenza di registrazione sono mostrati in Figura 3. Utilizzando una decomposizione Reynolds, V i è la somma del campo di velocità mediata ( Equazione ) E V '10. Per questo esperimento, Equazione è stato determinato temporalmente media di tutte le immagini nella sequenza. I campi vettoriali istantanei attraversola sequenza di registrazione sono molto simili e mostrano il flusso muove da sinistra verso destra. Questi risultati indicano anche che il flusso è prevalentemente in direzione orizzontale in quanto la componente di velocità orizzontale (u) è molto maggiore della componente di velocità verticale (v). I campi vettoriali fluttuazione indicano anche che le fluttuazioni di velocità orizzontali (U ') sono più grandi delle fluttuazioni di velocità verticali (V'). Tuttavia, le fluttuazioni indicano anche che il flusso sta rallentando poiché u 'inverte la sua direzione durante la sequenza di registrazione.

U Il tempo-mediata e istantaneo - profili in diversi momenti differenti durante la sequenza di registrazione sono mostrati in Figura 4 e verificare che il flusso sta rallentando nel tempo. L'u - Profili noiri determinata calcolando la media quattro colonne vettoriali adiacenti insieme per migliorare la significatività statistica dei risultati prossimi al muro. La procedura è stata utilizzata in lavori precedenti 6,8. Le barre di errore indicano doppio della deviazione standard delle quattro colonne adiacenti vettore. Barra più grande errore si verifica vicino alla superficie della piastra e ribadisce la difficoltà di utilizzare algoritmi di correlazione PIV per aree a bassa densità di semina. Diversi algoritmi di analisi sono stati progettati per affrontare a bassa densità di semina, come PTV 5,6 e gli approcci di correlazione medie nel tempo 7,8.

Figura 1
Figura 1. Banco di assemblaggio.

Figura 2
Figura 2. Immagini di particelle in un 32 x 32 pixel interrogatori vicino alla parete ad) t = 0,2 msec e b) t = 0,4 msec. Le dimensioni fisiche della finestra di interrogazione sono 96 x 96 micron 2.

Figura 3
Figura 3 A sinistra:. Istantanea (V i), e sulla destra: fluttuazione (V ') campi di velocità ad inizio, metà e fine della sequenza di registrazione. Campi vettoriali sono composti interamente di vettori di prima scelta. Un sottoinsieme più piccolo dei campi vettoriali è mostrato per chiarezza. I campi i V indicano il flusso in movimento da sinistra a destra, mentre la direzione inversa V '. Si prega di notare che solo ogni quarto vettore colonna in direzione orizzontale è indicato per chiarezza. Inoltre, La scala di velocità tra il V i e campi V 'è differente come indicato nell'angolo superiore sinistro di ciascuna immagine.

Figura 4
Figura 4. Velocità (U) profili orizzontali in tempi diversi durante il flusso. Medie nel tempo u - profilo è mostrato con cerchi. Barre di errore visualizzati sul t = 0.1 msec profilo sono rappresentativi di barre di errore per tutte le altre volte. La storia temporale dei profili u - mostra una diminuzione della portata nel tempo.

Discussion

Come con qualsiasi tecnica di misurazione del flusso ottico, la pianificazione della configurazione di alta velocità velocimetria immagini di particelle (PIV) richiede la valutazione di vincoli e la valutazione dei migliori compromessi per l'attività di misura a portata di mano. La scelta di ingrandimento dell'immagine, frame rate, proprietà del foglio laser, e algoritmi di analisi dipendono dettagli del flusso in fase di studio. Se necessario, misure esplorative devono essere condotte per identificare le impostazioni dei parametri per le misurazioni ad alta fedeltà.

Questo articolo descrive la procedura generale e di alcuni risultati di esempio per alta velocità PIV per studiare lo strato limite di un flusso lungo un piatto piano. Una sequenza di immagini 500 è stato registrato a 5 kHz. Un microscopio a lunga distanza è stato utilizzato per ottenere un x 1.8 mm 2 campo di vista 2.4 situato alla superficie della piastra. Illuminazione di alta qualità delle goccioline di olio di semi è stato ottenuto con un fascio da un pulsato pompato a diodo laser a stato solido che è stato espanso in un sh luceEET utilizzando un omogeneizzatore fascio. Il fascio omogeneizzatore contiene un array di microlenti fatto di piccole lenti cilindriche e un ulteriore, telescopio integrato. La matrice di micro-obiettivo amplia il fascio circolare nella direzione verticale suddividendo il fascio in ingresso in beamlets. Allora la seguente telescopio sovrappone i piccoli fasci di creare un foglio leggero con una distribuzione di intensità uniforme della luce nel piano normale foglio leggero alla propagazione del fascio. Le immagini sono state elaborate utilizzando un algoritmo di cross-correlazione PIV. Va notato che un raggio omogeneizzato è utile, specialmente in presenza di superfici, ma non è fondamentale per l'applicazione qui descritta.

Il metodo descritto in questa procedura consente non intrusivi ad alta risoluzione, indagini ad alta velocità dei flussi utilizzando algoritmi di correlazione robusti. I vantaggi principali di questa alta risoluzione, la tecnica di misurazione ad alta velocità sono ad alta risoluzione spaziale e temporale e la capacità di identificare e rintracciarel'evoluzione di strutture all'interno del flusso. Utilizzando queste tecniche, Alharbi 6 e Jainski et al. 8 hanno dimostrato la capacità di visualizzare e monitorare strutture vorticose all'interno dello strato limite di un motore a combustione interna. Queste caratteristiche chiave consentono indagini sulla struttura e la dinamica dei flussi altamente transitori. Inoltre, PIV possono essere espanse oltre l'bidimensionale, bicomponente (2D-2C) campi di velocità (come descritto qui) per risolvere 3-componenti (3C) in un piano (stereo-PIV) e in un volume (PIV tomografica , scansione PIV, olografica PIV). Ulteriormente, PIV può essere implementato con altre tecniche come planare fluorescenza indotta da laser (PLIF), filtrata diffusione di Rayleigh (FRS), e fosfori termografiche per realizzare misurazioni 2D simultanee di velocità e altri scalari (temperatura, concentrazione di specie, i rapporti di equivalenza) 11 -14. Questi metodi ottici, laser-based possono essere applicati direttamente ad indagare massa eprocessi di scambio di energia in molte applicazioni, come il quasi parete flussi in un motore a combustione interna.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Questo materiale si basa su lavori sostenuta dalla US National Science Foundation sotto Grant No. CBET-1032930 e il lavoro svolto presso l'Università di Quantitative Laser Diagnostics Laboratory della 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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