High-speed Particle Bilde velocimetry nærheten Overflater

Engineering
 

Summary

En prosedyre for å studere forbigående strømmer nærheten grenser med høy oppløsning, høy hastighet partikkel image velocimetry (PIV) er beskrevet her. PIV er en ikke-påtrengende målemetode som gjelder til enhver optisk tilgjengelig flyt ved å optimalisere flere parameter begrensninger som bilde-og opptak egenskaper, laser ark egenskaper, og analyser algoritmer.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

Multi-dimensjonale og forbigående strømmer spille en sentral rolle i mange områder av vitenskap, teknologi og helsefag, men er ofte ikke godt forstått. Den komplekse natur av disse strømmene kan studeres ved hjelp av partikkel image velocimetry (PIV), en laser-basert bildebehandling teknikk for optisk tilgjengelige renn. Selv om mange former for PIV eksistere som strekker teknikken utover den opprinnelige plane tokomponent hastighetsmålingen evner, består den grunnleggende PIV-systemet av en lyskilde (laser), et kamera, tracer partikler, og analyse algoritmer. Det tenkelig og opptak parametre, lys-kilde og algoritmer er justert for å optimalisere opptaket for strømmen av interesse og oppnå gyldige hastighetsdata.

Felles PIV undersøkelser måler to-komponent hastigheter i et fly på noen få bilder per sekund. Imidlertid har den siste utviklingen i instrumentering tilrettelagt høy bildefrekvens (> 1 kHz) målinger stand til å løse overgangenent flyter med høy tidsmessig oppløsning. Derfor høy bildefrekvens målinger har aktivert undersøkelser på utviklingen av strukturen og dynamikken i svært forbigående renn. Disse undersøkelsene spille en avgjørende rolle i å forstå de grunnleggende fysikken i komplekse renn.

En detaljert beskrivelse for å utføre høy oppløsning, høy hastighet planar PIV å studere et forbigående flyt nær overflaten av en flat plate er presentert her. Detaljer for å justere parameter begrensninger som image og opptak egenskaper, laser ark egenskaper, og behandling algoritmer for å tilpasse PIV for noen flyt av interesse er inkludert.

Introduction

Multi-dimensjonale målinger av hastigheter og muligheten til å spore flyten feltet i tide gi viktig informasjon i mange områder av vitenskap, teknologi og helsefag. Blant de mest brukte teknikker for flow imaging er partikkel bilde velocimetry (PIV). Opprinnelig etablert som en plan teknikk som målte øyeblikksbilder av to in-plane hastighet komponenter, har PIV varianter blitt utviklet for å gi tre-komponent og volumetrisk måling evner. Alle PIV systemer består av tracer partikler, den ene eller de flere lyskildene, og ett eller flere kameraer. Faste partikler eller dråper blir ofte brukt som tracer partikler men bobler som ligger i strømningen kan også bli brukt som tracer partikler. Kameraet (e) deretter bilde (r) eller spredt lys som sendes ut fra tracer partiklene etter at de er bestrålt av lyskilden (e). Blant det brede spekter av varianter 1,2 den mest vanlige fanger to velocity komponenter i et fly på en rottee av noen få bilder per sekund. Mer nylig har ny instrumentering aktivert høy bildefrekvens målinger (> 1 kHz) som følger strømningen ved turbulente tidsskalaer i kHz-området.

PIV bestemmer et hastighetsfelt ved å spore bevegelse av den gjennomsnittlige partikkel-grupper fra et par av bilder som er atskilt med en kjent tidsforsinkelse. Hvert bilde er delt opp i et gitter av jevnt atskilt spørresignaler vinduer. Den vanligste avlesningsskjermbildet størrelse er 32 x 32 piksler. En algoritme beregner krysskorrelasjon funksjonen for alle spørresignalene vinduer, noe som resulterer i en forskyvningsvektor pr avlesningsskjermbildet og produserer derfor en regelmessig rutenett av vektorer. Splitte forskyvningsvektoren feltet ved tidsforsinkelse avgjør deretter hastighetsvektor feltet.

Ved planlegging av PIV målinger er det viktig å innse at typisk valg av eksperimentelle innstillinger er et kompromiss mellom motstridende krav. Med andre ord, den opplevdementale tilstander må være nøye planlagt for å fange opp aspekter av flyten som er av betydning for studien for hånden. Bøkene av Raffel et al. 1 og Adrian og Westerweel 2 gir gode dyptgående diskusjoner om disse begrensningene. Her kan vi markere flere som er mest kritiske i denne sammenheng.

Valget av feltet-of-view (FOV) vil angi startpunktet for parameteren utvalg her. Det antall piksler på kameraets brikken bestemmer deretter den romlig oppløsning og antall vektorer som er innhentet, forutsatt at man velger å benytte avlesningsskjermbildet størrelser på 32 x 32 piksler, ofte med en 50% overlapping i løpet av krysskorrelasjon prosedyre. En poding tetthet på 8-10 partikler per avlesningsskjermbildet er generelt ønskelig for å hjelpe krysskorrelasjon funksjon. Men det er spesielle algoritmer, for eksempel partikkel sporing velocimetry (PTV) og registrert gjennomsnittlig korrelasjon tilnærminger, som kanbrukes til å adressere situasjoner med lav tetthet såing (1-3 partikler / avlesningsskjermbildet) som er tilfellet med avbildning nær overflatene. Merk at hastighetsgradienter innenfor hver avlesningsskjermbildet bør være liten for å unngå en skjevhet i den resulterende representant vektor for det vinduet.

En etablert styre-tommel er at partikkel-forskyvninger mellom den første og andre ramme ikke bør overstige 8 piksler (? Av avlesningsskjermbildet størrelse) for å redusere antall sammenkobling tap (tap av partikkel-bilde blir plassert innenfor avlesningsskjermbildet fra den først ramme på den andre rammen) for korrelasjon. Som et resultat, har tiden mellom to påfølgende laserpulser (DT) for å bli justert tilsvarende. Imidlertid vil redusere dt under tilsvarende 8-pixel forskyvninger redusere hastigheten dynamiske området, fordi den nedre ende oppløsningsgrensen er av størrelsesorden 0,1 piksel forskyvning.

Ligner på 8-pixel forskyvning wmå du plassere TVen bildebehandling flyet, den høyeste hastigheten partiklene bør ikke krysse mer enn ¼ av lyset platetykkelse, igjen for å redusere antallet sammenkobling tap. Siden tidsforsinkelsen mellom de to laserpulser brukes for å sikre de beste korrelasjon innenfor lys ark flyet, er tykkelsen av arket en variabel i denne sammenheng. Mens ensartethet av lysintensiteten er ikke så kritisk som det er for intensitet-baserte målinger som planar laser-indusert fluorescens 3 bildebehandling, en nær top-hat bjelke profil hjelper PIV kvalitet, spesielt for høyere oppløsning imaging.

Generelt sett kan noen antakelser om innholdet av strømningen under studien brukes som et utgangspunkt i valget av eksperimentelle parametere. Deretter kan utforskende eksperimenter være nødvendig å avgrense innstillingene.

Her beskriver vi hvordan du setter opp en PIV eksperiment som tillater høy bildefrekvens bildebehandling målinger av to hastighet components med romlig oppløsning som er tilstrekkelig for å løse grenselaget strukturer. Dette gjøres med bruk av en høy-repetisjonsrate TEM 00 diode-pumpet solid-state laser, en langdistanse mikroskop, og en høy bildefrekvens CMOS kamera. Noen detaljer om bildebehandling nær overflater er også inkludert.

Protocol

En. Lab Safety

  1. Gjennomgang laser sikkerhet materialet før du bruker en laser og sørge for at opplæring er oppfylt.
  2. Få riktig sikkerhetsutstyr for å arbeide med lasere. Hvert individ bør ha et par laser vernebriller som vil blokkere laserens utslipp bølgelengde (r). Installer en advarsel tegn utenfor laboratoriet for å la andre vite når laseren er i drift. Hang laser sikkerhet forheng rundt den optiske benken for å isolere den fra andre medarbeidere i en felles lab plass.
  3. Fjern alle klokker og smykker når du arbeider med lasere.
  4. Tenk strålegangen når du setter opp utstyr: sette opp utstyret slik at det å gjøre justeringer som ikke vil kreve å nå over eller under strålen.
  5. Les laser for å finne ut hvordan du bruker laser trygt.
  6. Hold øyehøyde ut av flyet av laserstrålen!

2. Benkeplate Set-up

  1. Bestem forstørrelse that vil være nødvendig for applikasjonen og velge riktig linse. Forstørrelsen (M) kan bestemmes ved å dividere lengden av kamera-brikken med det tilsvarende lengden av felt-av-visningen (FOV). I dette eksempel er lengden av kameraets chip 17,6 mm og den tilsvarende lengde av den FOV er 2.4 mm. Derfor, M = 17,6 mm / 2,4 mm = 7,33. En lang avstand mikroskop er brukt her for å oppnå dette mindre FOV.
    1. Utføre noen grove beregninger av forventet hastigheter i nær-vegg-regionen. Bruk disse estimatene å bestemme opptak parametere, slik som den bildefrekvens og tidsforsinkelsen i henhold til praktiske retningslinjer for PIV 1,2. Bestem hvor lang tid det vil ta for en partikkel å reise åtte piksler. Dette vil bestemme tidsforsinkelsen mellom hver laserpuls (dt). I tidsserier PIV, vil 1/dt bestemme nødvendig kamera bildefrekvens og må være mindre enn den maksimale bildefrekvensen tillates av kameraet. Små justeringer av disse parametrene kansenere bli nødvendig å optimalisere strømningen opptaket for å oppnå høy kvalitet hastighetsdata. Hvis den nødvendige bildefrekvens overskrider den maksimale laser repetisjonsrate kan to lasere brukes til å utføre PIV i ramme-skrevende modus. For dette eksempelet, vil ikke bildefrekvens (5 kHz) ikke overstige den maksimale repetisjon rate av laser og dermed bare en enkelt laser er nødvendig for å utføre PIV i tidsserier modus.
  2. Nivå laseren med hensyn til tabell
    1. Sett laserhodet i den ene enden av et nivå optisk tabell. Plasser en bjelke dump direkte i strålebanen ved den andre enden av bordet.
    2. Plasser en optisk jernbane mellom laser hodet og strålen dump. Tape et mål til en bjelke blocker, fikse strålen blocker til en operatør og plasser buret skinnen.
    3. Sett laser strøm til en lav aktuell innstilling - nok til å lase men ikke nok til å brenne et papirark. Slå på laseren og skyver bæreren frem og tilbake. Lag små justeringer av laser posisjon until midten av laserstrålen forblir i en flekk som transportøren beveger seg frem og tilbake. Fest laser til den optiske tabellen.
    4. Måle høyden av midten av laserstrålen ved hjelp av en kombinasjon kvadrat. Slå av laser.
  3. Installer laser ark forming optikk
    1. Fjern skinnen men plassere strålen blokkeren med målet foran strålen fylling. Slå på laseren og nøye merke hvor midten av strålen treffer målet. Plasser arket danner optikk, som er det bjelke homogenisatoren (BH) som også omfatter et ark som danner teleskop i denne demonstrasjonen i laseren for å forme laseren arket. Høyden av laseren Platen må være større enn den FOV. Justere posisjonen av BH til midten av høyden og bredden av laseren arket om merket på målet og for å holde tilbake refleksjoner fra reiser tilbake inn i laser-hulrom. Plasser en åpning mellom laserhodet og BH om nødvendig for å unngå refleksjoner tilbake. Slå av laser. Light arket i denne demonstrasjonen hadde en høyde på 8 mm og en tykkelse på 0,5 mm, henholdsvis, og en puls-energi på 0,4 mJ / puls.
    2. Hvis det er begrenset plass på den optiske bordet, plassere en 45 ° høy refleksjon speil for å slå laserlys arket ved 90 °. Tape annet mål til en bjelke blocker, fikse strålen blocker til en operatør og plasser buret skinnen. Plasser skinnene etter speilet. Slå på laser. Foreta små justeringer av speilet inntil midten av lys arket forblir på ett sted på målet når det glir langs skinnen.
    3. Sett laser repetisjon rate å matche bildefrekvens for målinger (5 kHz for eksempel diskutert her) og sett laser strøm til maksimal innstilling. Plasser en jernbane mellom BH og målet. Fest en annen bjelke blocker til transportøren og plasser montering på skinnen. Slå på laser. Skyv transportøren frem og tilbake for å bestemme plasseringen av navet fra BH. Markere plasseringen av focal punkt relativt til BH. Hvis et speil benyttes, gjør målingen i forhold til speilet. Måle omtrentlig laserstrålens høyde arket ved navet. Slå av laser.
  4. Montere og justere lang avstand mikroskop og kamera
    1. Marker de horisontale og vertikale senterlinjer i langdistanse mikroskop (LDM) og kamera åpninger ved hjelp av en sentrering kvadrat og kombinasjon torget. Mål avstanden mellom bordet og de horisontale senterlinjer av LDM og kamera.
    2. Fest LDM og kamera til transportørene og bruke eventuelle avstandsstykker, for eksempel skiver eller muttere, slik at de horisontale midtlinjer av LDM og kamera er på samme høyde. Fest LDM og kameraet på skinnen. Fest LDM og kameraet ved hjelp av de riktige adaptere. Juster høyde-stillingen, slik at de horisontale senterlinjer har samme avstand over bordet som sentrum for den lette ark.
    3. Fikse en oversettelse scene foran merket for det sentrale point av bjelken. Bevegelsen av oversettelsen stadiet vil være parallell med bjelkens forplantning. Fest skinnen med kameraenhet til oversettelse stadium slik at hele sammenstillingen er vinkelrett på lys arket. Sentrere kameraet forsamlingen ved å plassere de vertikale midtlinjer av LDM og kamera med navet.
    4. Koble kameraet til datamaskinen og high-speed controller (HSC). Koble laser til HSC. Hold lokket på kameraet montering på og utføre en intensitet kalibrering i PIV program (LaVision Davis 7.2).
    5. I programmet satt kameraet til fortløpende grab-modus og ta av lokket på kameraet forsamlingen. Plasser en kombinasjon kvadrat på navet. Flytt kameraet og LDM langs skinnen til et skarpt bilde av linjalen kommer i fokus. Fortsett å flytte kameraet og LDM langs jernbane og ta bildet i fokus med LDM er fokus stang til kameraet chip spenner ønsket felt-of-view (2.4 x 1,8 mm 2 som svarer til en 800 x 600 piksler chip).
  5. Fikse en plate på et stativ slik at den er parallell til bordet og plassere den på navet. Hev platen slik at den er synlig i bilder på datamaskinen. Skru av kontinuerlig fanget og cap kameraet forsamlingen. Slå på laseren og sørge for laserlys arket gjør kontakt langs overflaten av platen.

3. Flow Set-up

  1. I denne demonstrasjonen er PIV utført opptak av bilder fra spredt lys fra silikon oljedråper. Oljedråpene er opprettet ved hjelp av en olje atomizer. Koble følgende elementer opp til en lufttilførsel: partikkelfilter, olje filter, trykkregulator, mass flow meter, og olje atomizer. Koble utgangen av forstøver til et stålrør. Bruk en montere og klemme for å feste stålrør til den optiske bordet, heve røret ovenfor bordet og lede den mot platen.
  2. Åpne lufttilførselen ventil. Sett tilbakepress på trykkregulatoren til> 140 kPa for å skape nok strømning gjennom systemet.
  3. Slå på strømmen, og justere seeding tetthet gjennom atomizer jets og bypass ventiler på forstøver.

4. Optimalisere Set-up

  1. Skriv inn bildefrekvens i programmet. Sjekk at HSC sender en trigger signal som samsvarer med bildefrekvens på laser. På laseren strømforsyning, sett repetisjonsrate og strøm (5 kHz og 15,5 A i dette eksemplet, henholdsvis). Sett laser til ekstern modus. Laseren skal fortløpende motta en trigger signal fra HSC som matcher repetisjonsrate sett på laseren før du bytter over til ekstern modus eller annet laseren vil overopphetes.
  2. Sett kameraet til kontinuerlig gripe, slå på laseren, og slå på forstøver. Bruk fokusere stang på LDM å sørge partikkel bildene er i fokus. Pass også på intensiteten av partikkel bildene er ikke mette camera. Hvis ja, skru ned laser strøm - dette vil påvirke det sentrale punktet beliggenhet! Gjenta trinn 2.3.3 og 2.4.3 om laser strømmen er endret. Slå av tak-modus når fokusert partikkel bildene er oppnådd.
  3. Ta opp, vurdere og justere parametere for å få gyldige fartsdataene
    1. Spille inn flere hundre bilder av flyten. Etter at opptaket er ferdig, sjekk bilder du har tatt for å sikre at partikler ikke flytte mer enn 8 piksler, at seeding tetthet er i størrelsesorden 8-10 partikler per 32 x 32 pikslers avlesningsskjermbildet, og for å kontrollere fokuset på bildene . Gjenta trinn 4.3.1-4.3.4 til de foregående kriteriene er oppfylt.
    2. Hvis partiklene er skiftende mer enn 8 piksler, redusere dt mellom de to PIV laser pulser for å oppnå maksimalt 8 pixel skift. Hvis partiklene er skiftende vesentlig mindre enn 8 piksler, dt øke tilsvarende. For enkelt laser PIV systemer, er dt justeres ved å endre bildefrekvens og følgeliglaser repetisjon rate. For PIV ved hjelp av to lasere, er dt tidsforsinkelsen mellom en puls fra den første laser og en puls fra den andre laseren. Hvis justering dt ikke løser problemet, kan bildefrekvens og laser repetisjon priser først justeres og deretter dt må være finjustert igjen.
    3. Dersom det er vanskelig å spore grupper av partikler gjennom en serie av bilder, kan det bli for stor ut-av-plan bevegelse. Det er flere måter å løse dette problemet: a) utlignet kameraet forsamlingen fra navet slik at kameraet er tenkelig en tykkere lys ark, b) øke arbeidsavstand mellom kamera og lys ark flyet forsamlingen (og fokusere med fokus stang ) for å oppnå en større dybde av fokus, derimot, vil dette redusere den romlige oppløsningen.
    4. Hvis seeding tetthet er for sparsom eller for tett, øke eller redusere antall atomizer jets.

5. Kjøre Experiment

  1. Utfør en cameren intensitet kalibrering med hetten på kameraet forsamlingen til å sette en referanse for intensiteten. Når kalibreringen er ferdig, ta av lokket.
  2. Sett laser til den optimaliserte repetisjon hastighet og strøm. Før du slår laseren til ekstern modus, gjør at laseren mottar en kontinuerlig utløsersignal som matcher den innstilte frekvensen. Slå laseren på.
  3. Record en sekvens av bilder av bakgrunns bare lyset ark beite på overflaten av platen. Lagre disse bildene.
  4. Slå på strømmen og at strømmen har stabilisert seg.
  5. Sett kameraet til å kontinuerlig ta tak og kontrollere at kameraet er å samle fokusert partikkel bilder. Slå av kontinuerlig grab-modus.
  6. Tast inn ønsket antall bilder og trykk deretter på posten.
  7. Når opptaket er ferdig, slå av strømmen og laser. Gjennomgå sekvens av bilder og sjekke partikkel skift, seeding tetthet, og partikkel image fokus. Lagre opptaket hvis fornøyde ellers gjenta trinn 05.04 til 05.07. Gjenta trinn 05.04 til 05.07 for å samle flere kjøringer.
  8. Øke eksponeringen tid (hvor mye tid per bilde som kameraet er å samle bilder) på kameraet.
  9. Still et kalibreringsmålet i lys ark flyet og sørge for at den får kontakt med platen. Belyse målet bakfra med en lyskilde (dvs. lommelykt). Med kameraet i kontinuerlig grab-modus, stille målet slik at det innspilte bildet er i fokus og ikke forvrengt. Kontroller at kontaktpunktet mellom platen og skiven er synlig i bildet - dette er viktig for å bestemme plasseringen av platen i bildene.
  10. Spille inn 10 bilder av kalibreringsmålet. Gjenta trinn 05.09 til 05.11 hver gang kameraet montering eller fokus er endret.

6. Data Processing

  1. Den PIV program som brukes i denne demonstrasjonen var LaVision Davis 8.1. Gjennomsnittlig hvert sett av kalibreringsmålet bilder. Bruk den resulterende bildet i kalibrering rutinerTine å bestemme sann-world dimensjoner for de oppkjøpte bilder.
  2. Påfør hver kalibrering til tilsvarende sett med bilder.
  3. Bestemme plasseringen av platen i de kalibrerte bilder. Denne informasjonen er nødvendig for å skape en geometrisk maske (beskrevet i 6.6).
  4. Gjennomsnittlig bakgrunnsbildene. Avgjøre om laser refleksjoner fra overflaten bidra vesentlig til bakgrunnsstøy ved å sammenligne intensitet tellinger av den gjennomsnittlige bakgrunnsbildet til intensiteten tellinger av seeding partikler. Bright laser refleksjoner nær veggen vil ha intensiteter høyere enn partikkel intensiteter. Dette negativt påvirker PIV korrelasjoner i nærheten av veggen og begrense plasseringen av den første pålitelig vektoren nærmest veggen. I dette eksempelet hadde laser refleksjoner ikke i vesentlig grad bidra til bakgrunnen.
  5. Pre-prosess de kalibrerte flyt bilder ved hjelp av et high-pass filter (trekke skyve bakgrunn filter) for å fjerne store intensiteten svingningersjoner i bakgrunnen, for eksempel laser refleksjoner. Partikkel-signaler har liten intensitet svingninger og vil passere gjennom filteret.
  6. Definer en geometrisk maske - bruk en rektangulær maske for å deaktivere vektor beregning hvor platen ligger i bildene. Merk: Davis har to alternativer for geometriske masker: en som gjør at PIV sammenhenger innenfor det angitte området og en som deaktiverer PIV sammenhenger innenfor det angitte området. En maske for å muliggjøre PIV algoritme innenfor det angitte område ble anvendt i denne demonstrasjon.
  7. I en "Advanced maske innstillinger"-menyen, sørg Masken påføres på riktig måte (dvs. bare bruke piksler inni masken).
  8. Spesifiser vektor beregningsmetode: i dette eksempelet en multi-pass prosedyre med synkende vindu størrelse ble brukt - to innledende passerer bruker 64 x 64 pixel avhør vinduer med 50% overlapp etterfulgt av tre går med 32 x 32 piksler avhør vinduer med 50% overlapping .
  9. De bremses vektorfelti denne demonstrasjonen ble post-behandlet ved hjelp av fem subrutiner til å forbedre kvaliteten på kryss-korrelasjon resultater: a) Gjør maske permanent, b) Fjern vektorer med en topp ratio (Q) <1,1, c) Påfør en median filter, d) fjerne grupper med <5 vektorer e) Påfør vektor fylle opp. Toppen forhold (Q) er definert som Ligning , Hvor P1 og P2 er de første og andre høyeste korrelasjons-topper, henholdsvis, og min er den laveste verdi i korrelasjonen planet. Q er en beregning for å vurdere kvaliteten av en vektor. Q sammenligner den høyeste korrelasjonstopp, noe som resulterer i den beste vektor, til den felles korrelasjon bakgrunn representert ved den nest høyeste korrelasjonstopp. Vektorer med Q nær en er en indikasjon på at den høyeste korrelasjonstopp er en falsk peak. Deretter bestemmer median filter median vektor (u median, v median) Av en gruppe av vektorer og avviket på de nærliggende vektorer (u rms, V rms). Median filter avviser midten vektor (u, v) hvis det ikke passer følgende kriterier: u median - u rms ≤ u ≤ u median + u RMS og v median - v rms ≤ v ≤ v median + v rms. I tillegg er det mulig å oppnå grupper av spuriøse vektorer dersom en stor overlapping ble det angitt en hastighetsvektor beregningen. Derfor er det mulig å fjerne grupper av vektorer med mindre enn et spesifisert antall vektorer. Når spuriøse vektorer er fjernet, vektor fylle opp kan anvendes for å fylle opp de tomme mellomrom med interpolerte vektorer bestemt fra ikke-null tilgrensende vektorer. Til slutt vil du påfører masken slette eventuelle vektorer utenfor masken.
  10. Vurdere kvaliteten av resultatene: a) Gjør resultatergjøre fysisk forstand? (Dvs. langsommere hastigheter i nærheten av grensen, hastighetene øker med økende avstand fra veggen; retningen av vektorene følge den generelle retning av strømmen, etc.), b) Den resulterende vektor-feltet er i stor grad sammensatt av første valg-vektorer (indikert med den PIV prosessering programvare). Vanligvis er det anbefalt at den brøkdel av første valg-vektorer være høyere enn 95%. En bredere spekter av etterbehandling trinn er beskrevet i litteraturen, for eksempel 1,2.

Representative Results

Et bilde av oppsettet er vist i figur 1. Rå partikkel bilder av en 32 x 32 piksel avlesningsskjermbildet nærheten av veggen fra to etter hverandre Bildene blir vist i figur 2.. Partiklene i figur 2a er forskjøvet 2-3 piksler til høyre i figur 2b og metter den "one-quarter regel," som sier at i planet og ut-av-plan partikkel forskyvninger ikke bør overstige? Av undersøkelsessonen vindusstørrelse . I tillegg bør den partikkeltetthet pr avlesningsskjermbildet være omtrent 8-10 partikler ettersom PIV korrelasjon algoritmer spore grupper av partikler. Imidlertid er seeding tetthet i nær-vegg PIV undersøkelser ofte av størrelsesorden 1-3 partikler. Derfor bør spesielle algoritmer brukes til å ta opp studier med lavere seeding tetthet, for eksempel partikkel sporing velocimetry (PTV) algoritmer som spore individuelle partikler 1,2,4-6. En registrert gjennomsnittlig korrelasjon tilnærming7,8 kan også brukes til å adressere lav tetthet såing problemer, men dette resulterer vanligvis i tap av temporal oppløsning. I tillegg er bildebehandling nær vegger påvirket av lyse laser refleksjoner som kan påvirke PIV sammenhenger og produsere falske vektorer. Disse lyse refleksjoner også begrense posisjonen til den første gyldige hastighetsvektor i veggen normal retning. Pre-prosessering rå partikkel bildene er nødvendig for å redusere virkningen av bakgrunnsstøy fra kilder som laser refleksjoner. I denne demonstrasjonen den første gyldige vektor ble plassert 23 mikrometer fra veggen.

Etter rå partikkel bildene er behandlet ved hjelp av PIV korrelasjon algoritmer, bør kvaliteten og validiteten av de resulterende hastighetsvektor felt skal vurderes. Falske vektorer er uunngåelig i de rå vektorfelt, men det er noen karakteristiske kjennetegn. Feilaktige vektorer er vanlig nær overflatene, ved kantene av den lys-ark, og ved kantene ofa flyt. I tillegg er den størrelse og retning av ugyldige vektorer avviker betydelig fra nærliggende vektorer og vil ikke gjøre fysisk forstand. I tilfellet med dette grensesjikt-strømning eksempel bør de gyldige velocity vektorer peker fra venstre mot høyre mens partikkelstrengene forskyvninger av figur 2, indikerer. I tillegg bør hastighetene avta i nærheten av veggen på grunn av den no-slip tilstand 9.. De momentan hastighet felt som er vist i figur 3 passer både av disse fysiske kriterier. En annen nyttig metrisk for å vurdere validiteten av PIV resultater, er å beregne retningen valg av hver vektor i hastighetsvektor feltet. Generelt bør den vektorfeltet bestå av> = 95% første valg vektorer, dvs. de som ikke krevde noen etterbehandling, slik at robuste etterbehandling algoritmer kan benyttes til å detektere og erstatte falske vektorer uten å produsere store gjenstander 2. Momentant vektorfelt vist i

Betydningen av høy hastighet, eller filmverk, PIV målinger blir tydelig fra en inspeksjon av en tid sekvens av flyt bilder. Momentan hastighet (V i) og hastighet svingninger (V ') vektorfelt i begynnelsen, midten og slutten av opptaket sekvensen er vist i figur 3.. Ved hjelp av en Reynolds nedbryting, er V i summen av de gjennomsnittlige hastighetsfelt ( Ligning ) Og V '10. For dette eksperimentet Ligning ble bestemt ved timelig gjennomsnitt alle bildene i sekvensen. Momentant vektorfelt gjennomut opptaket sekvens er svært like og viser strømningen beveger seg fra venstre mot høyre. Disse resultatene indikerer også at strømningen er hovedsakelig i horisontal retning, siden den horisontale hastighetskomponent (u) er mye større enn den vertikale hastighetskomponent (V). Svingning vektorfelt indikerer også at de horisontale hastighets svingninger (U ') er større enn de vertikale hastighet svingninger (V'). Imidlertid svingningene indikerer også at strømningen blir langsommere ettersom u 'reverserer sin retning gjennom opptaket sekvens.

Den tid-midlet og momentant u - profiler på flere forskjellige tidspunkt i løpet av innspillingen sekvensen er vist i figur 4, og verifisere at flyten er bremse ned over tid. U - profiler vire bestemmes ved å beregne gjennomsnittet fire tilstøtende vektor kolonner sammen for å forbedre den statistiske signifikansen av resultatene nær veggen. Denne fremgangsmåte ble brukt i tidligere arbeider 6,8. Feilstolpene indikerer to ganger standardavviket av de fire tilstøtende vektor kolonner. Den største feilfelt forekommer nær overflaten av platen, og bekrefter vanskeligheten med å bruke PIV korrelasjonsdata algoritmer for områder med lav tetthet såing. Flere algoritmer for å ta seg lav seeding tetthet som PTV 5,6 og registrert gjennomsnittlig korrelasjon tilnærminger 7,8.

Figur 1
Figur 1. Benkeplate forsamlingen.

Figur 2
Figur 2. Partikkel bilder i en 32 x 32 pikslers avhør nær veggen på a) t = 0,2 ms og b) t = 0,4 ms. De fysiske dimensjonene på avlesningsskjermbildet er 96 x 96 mikrometer to.

Figur 3
Figur 3.venstre:. Momentant (V i), og til høyre: svingninger (V ') velocity felt i begynnelsen, midten og slutten av opptaket sekvens. Vektorfelt består utelukkende av første-choice vektorer. En mindre undergruppe av vektorfelt er vist for tydelighetens skyld. Den V I felt indikerer flyt fra venstre mot høyre mens V 'motsatt retning. Vær oppmerksom på at bare hver fjerde vektor kolonne i horisontal retning er vist for klarhet. I tillegg, Er hastigheten skala mellom V i og V 'felt forskjellige som vises øverst i venstre hjørne på hvert bilde.

Figur 4
Figur 4. Horisontal hastighet (u) profiler på ulike tidspunkt i løpet av flyt. Registrert gjennomsnittlig u - Profilen er vist med sirkler. Feil Strekene på t = 0,1 ms profilen er representative for feilstolper for alle andre ganger. Den tidshistorien av u - profilene viser en reduksjon i strømmen over tid.

Discussion

Som med alle optisk flyt måling teknikk, planlegging oppsettet av high-speed partikkel image velocimetry (PIV) krever vurdering av begrensninger og evaluering av beste kompromisser for måling oppgaven. Utvalget av bildet forstørrelse, bildefrekvens, laser ark egenskaper, og analysealgoritmer avhenge detaljer om flyten under studien. Hvis ikke, må utforskende målingene utføres for å identifisere parametre for high fidelity målinger.

Denne artikkelen beskriver den generelle prosedyren og noen eksempler på resultater for høyhastighets PIV å studere grenselaget av en strøm langs en flat plate. En sekvens av 500 bilder ble spilt inn på 5 kHz. En lang-distanse mikroskop ble brukt til å oppnå en 2,4 x 1,8 mm to felt-of-view plassert på platen overflate. Høy kvalitet belysning av frø olje dråper ble oppnådd med en bjelke fra en pulserende diode-pumpet solid-state laser som ble utvidet til en lys sheet bruke en bjelke homogenisator. Strålen homogenisator inneholder en mikro-linse utvalg består av små sylindriske linser og tilhørende integrert teleskop. Den mikro-linsegruppe utvider sirkulær stråle i vertikal retning ved å dele opp den innkommende strålen inn i beamlets. Deretter følgende teleskop overlagrer de beamlets for å skape et lys ark med jevn lysintensitet fordeling i lys ark plan normalt strålen forplantning. Bilder ble behandlet ved hjelp av en PIV krysskorrelasjon algoritme. Det bør bemerkes at en homogenisert bjelke er nyttig, særlig når man arbeider i nærheten av overflatene, men det er ikke avgjørende for den anvendelse som er beskrevet her.

Metoden er beskrevet i denne prosedyren muliggjør ikke-påtrengende høy oppløsning, høy hastighet undersøkelser av strømmer ved hjelp av robuste korrelasjon algoritmer. De viktigste fordelene med denne høy oppløsning, høy hastighet målemetode er høy romlig og tidsmessig oppløsning og evnen til å identifisere og sporeutviklingen av strukturer i strømningen. Ved hjelp av disse teknikker, 6 Alharbi og Jainski et al. Åtte har vist evne til å visualisere og spore vortex strukturer innenfor grensesjiktet for en forbrenningsmotor. Disse viktige funksjonene gjør undersøkelser på strukturen og dynamikken i svært forbigående renn. Videre kan PIV utvides utover den to-dimensjonale og to-komponent-(2D-2C) velocity felt (som beskrevet her) til å løse tre-komponenter (3C) i et plan (stereo-PIV) og i et volum (tomografisk PIV , skanning PIV, holografisk PIV). I tillegg kan PIV gjennomføres med andre teknikker som planar laser-indusert fluorescens (PLIF), filtrert Rayleigh spredning (FRS), og termografisk fosfor for å oppnå samtidige 2D målinger av hastighet og andre scalars (temperatur, arter konsentrasjon, likeverdighet forholdstall) 11 -14. Disse optisk, laser-baserte metoder kan bli brukt direkte til å undersøke masse ogenergi utvekslingsprosesser i mange applikasjoner, slik som nær-vegg flyter i en forbrenningsmotor.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Dette materialet er basert på arbeidet støttes av det amerikanske National Science Foundation i henhold Grant No cbet-1032930 og arbeid utført ved University of Michigan Quantitative Laser Diagnostics Laboratory.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High-speed 532 nm Nd:YAG laser Quantronix Model: Hawk I
Long distance microscope ( QM-100) Questar Model: QM-100
High-speed CMOS camera (Phantom v7.3) Vision Research Model: Phantom v7.3
Atomizer (TSI 9306) TSI Model: 9306
Silicone oil Dow Corning CST 510 CST 510 Fluid
Beam homogenizer Fraunhofer Custom made part
45 ° high-reflectivity (HR) 532 nm turning mirror Laser Optik Multiple suppliers
Aperture Multiple suppliers
Calibration target Custom made part
PIV recording and processing software LaVision Software: Da Vis
High-speed controller (HSC) LaVision
Optical rail and carriers Multiple suppliers
Laser beam blocks and traps Multiple suppliers
Mounts for optical elements Multiple suppliers
Translation stage Newport
Metal tubing to create jet flow McMaster-Carr Multiple suppliers
Combination square and centering square Multiple suppliers

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

1 Comment

  1. Are you doing the PIV measurements with lights on? My instructor clearly told me "In PIV measurements the laser should be the ONLY source of light". Is he wrong?

    Reply
    Posted by: Aman J.
    December 11, 2015 - 9:40 AM

Post a Question / Comment / Request

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

Usage Statistics