High-speed Particle Billede Velocimetri nærheden Surfaces

Engineering
 

Summary

En procedure for at studere forbigående strømme nær grænserne ved hjælp af høj opløsning, high-speed partikel billedet Velocimetri (PIV) er beskrevet her. PIV er en ikke-påtrængende måleteknik anvendelse på enhver optisk tilgængelig flow ved at optimere flere parameter begrænsninger såsom billed-og indspilning egenskaber, laser sheet egenskaber 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-dimensional og forbigående strømme spiller en central rolle i mange områder af videnskab, teknik og sundhedsvidenskab, men er ofte ikke godt forstået. Den komplekse karakter af disse strømme kan studeres ved hjælp af partikel billedet Velocimetri (PIV), et laserbaseret imaging teknik til optisk tilgængelige strømme. Selvom mange former for PIV findes at udvide teknikken ud over den oprindelige plane tokomponent hastighedsmåling kapaciteter, det grundlæggende PIV systemet består af en lyskilde (laser), et kamera, sporstof partikler, og analysealgoritmer. De billeddannende og registrering parametre lyset kilde, og de algoritmer er justeret for at optimere optagelsen for strømmen af ​​interesse og få gyldige hastighed data.

Fælles PIV undersøgelser måler to-komponent hastigheder i et plan på et par frames per sekund. Imidlertid har den seneste udvikling i instrumentering lettede high-frame rate (> 1 kHz) målinger stand til at løse overgangenent flyder med høj tidslig opløsning. Derfor er høj-frame rate målinger aktiverede undersøgelser om udviklingen i struktur og dynamik af meget forbigående strømme. Disse undersøgelser spiller en kritisk rolle i forståelsen af ​​grundlæggende fysik af komplekse strømme.

En detaljeret beskrivelse til udførelse høj opløsning, høj hastighed plane PIV at studere en forbigående strømning nær overfladen af ​​en flad plade præsenteres her. Detaljer for at justere parameter begrænsninger såsom image og optagelse egenskaber, laser arkegenskaber og algoritmer til at tilpasse PIV for enhver strøm af renter er inkluderet.

Introduction

Multi-dimensional målinger af hastigheder og evnen til at spore flowet felt i tiden give kritisk information på mange områder inden for videnskab, teknik og sundhedsvidenskab. Blandt de mest anvendte teknikker til flow imaging er partikel billedet Velocimetri (PIV). Oprindeligt etableret som en planar teknik, målte snapshots af de to in-plane hastighedskomponenter har PIV varianter er udviklet til at give tre-komponent-og volumetrisk måling kapaciteter. Alle PIV systemer består af sporstof partikler, en eller flere lyskilder og én eller flere kameraer. Faste partikler eller dråber er almindeligt anvendt som sporstof partikler men bobler iboende i strømmen, kan også anvendes som tracer partikler. Kameraet (r) og derefter billede (r) spredt eller udsendte lys fra sporstof partikler efter at de er bestrålet med lyskilden (r). Blandt den brede vifte af variationer 1,2 den mest almindelige fanger to hastighedskomponenter i et plan en rottee på et par frames per sekund. For nylig er ny instrumentering aktiveret high-frame rate målinger (> 1 kHz), der følger flowet ved turbulente tidsskalaer i kHz.

PIV bestemmer en hastighed felt ved at spore den gennemsnitlige bevægelse af partikel-grupper fra et par af billeder, der er adskilt af en kendt tidsforsinkelse. Hvert billede er opdelt i et gitter af regelmæssigt fordelte forhørsmetoder vinduer. Den mest almindelige forhør vinduets størrelse er 32 x 32 pixels. En algoritme beregner krydskorrelationsfunktionen for alle forhørsmetoder vinduer, hvilket resulterer i en forskydningsvektoren pr forhør vindue og frembringer derfor en regelmæssig gitter af vektorer. Dividere forskydningsvektoren feltet ved tidsforsinkelse bestemmer derefter hastighedsvektoren feltet.

Når man planlægger PIV målinger er det vigtigt at indse, at typisk valget af forsøgsopstillingen er et kompromis mellem modstridende krav. Med andre ord, de erfaringer,psykiske forhold skal planlægges omhyggeligt for at indfange de aspekter af flow, der er af betydning for undersøgelsen ved hånden. De bøger af Raffel et al. 1, og Adrian og Westerweel 2 giver gode dybtgående drøftelser af disse begrænsninger. Her fremhæver vi flere, der er mest kritiske i denne sammenhæng.

Valget af field-of-view (FOV), vil sætte udgangspunktet for parameter valg her. Antallet af pixels på kameraet chippen bestemmer derefter den rumlige opløsning, og antallet af vektorer, der opnås, forudsat at man vælger at bruge forhør vinduesstørrelser på 32 x 32 pixels, ofte med et overlap på 50% i løbet krydskorrelationen procedure. En podningstæthed på 8-10 partikler pr forhør vindue er generelt ønskeligt at hjælpe krydskorrelationsfunktionen. Men der er særlige algoritmer, såsom partikel Velocimetry Tracking (PTV) og tidsgennemsnit korrelation fremgangsmåder, der kananvendes til at tage højde for situationer med lav podningstæthed (1-3 partikler / forhør rude) som det er tilfældet med billeddannelse nær overflader. Bemærk at hastighedsgradienter i hver forhør vindue skal være lille for at undgå en skævhed i den resulterende repræsentative vektor for dette vindue.

En etableret-reglen tommelfingerregel er, at partikel-forskydninger mellem den første og anden ramme ikke bør overstige 8 pixels (¼ af interrogationssignalet vinduesstørrelse) for at reducere antallet af parring tab (tab af partikel billeder i forhør vinduet fra den første ramme til den anden ramme) for korrelation. Som et resultat heraf har tiden mellem to på hinanden følgende laserpulser (dt), der skal tilpasses. Imidlertid vil en reduktion dt under tilsvarende 8-pixel forskydninger reducere hastigheden dynamikområde fordi den nedre ende opløsning grænse er af størrelsesordenen 0,1 pixel forskydning.

Svarende til 8-pixel forskydning wnden billedplanet, højeste hastighed partikler må ikke krydse mere end ¼ af lys pladetykkelse, igen for at reducere antallet af parring tab. Da tidsforsinkelsen mellem to laserpulser bruges til at sikre de bedste korrelationer inden lyspladen flyet, tykkelsen af ​​pladen er en variabel i denne sammenhæng. Mens ensartetheden af lysintensiteten ikke er så kritisk, som det er for intensitet-baserede målinger såsom plane laser-induceret fluorescens billeddannelse 3, en nær top-hat stråle profil hjælper PIV kvalitet, især for højere opløsning billeddannelse.

I almindelighed kan nogle antagelser om naturen af ​​strømmen under undersøgelsen anvendes som udgangspunkt i udvælgelsen af ​​eksperimentelle parametre. Så måske sonderende eksperimenter være nødvendige for at forfine indstillingerne.

Her beskriver vi, hvordan du oprette en PIV eksperiment, der giver høje frame rate billeddannelse målinger af to velocity componeNTS med rumlig opløsning, der er tilstrækkelige til at løse grænselag strukturer. Dette er opnået med anvendelse af en høj-impulsfrekvens TEM 00 diode-pumpet solid-state laser, en langdistance-mikroskop, og en høj rammehastighed CMOS kamera. Et par detaljer om billedbehandling nær overflader er også inkluderet.

Protocol

1.. Lab Safety

  1. Anmeldelse laser sikkerhed materiale, før du betjener en laser og sikre, at uddannelseskravene er opfyldt.
  2. Opnå den korrekte sikkerhedsudstyr for at arbejde med lasere. Ethvert individ bør bære et par laser beskyttelsesbriller, som vil blokere laserens emission bølgelængde (r). Installer et advarselsskilt uden for laboratoriet at lade andre vide, når laseren er i drift. Hang laser sikkerhed forhæng rundt om optisk bænk for at isolere det fra andre medarbejdere i et delt lab plads.
  3. Fjern alle ure og smykker, når du arbejder med lasere.
  4. Overvej strålevejen ved oprettelsen udstyr: oprette udstyr, så justeringer vil ikke kræve at nå over eller under strålen.
  5. Læs laser manual til at bestemme, hvordan man betjener laseren sikkert.
  6. Hold din øjenhøjde ud af flyet af laserstrålen!

2.. Benchtop Set-up

  1. Bestem forstørrelsen that vil være behov for anvendelse og vælg den relevante linse. Forstørrelsen (M) kan bestemmes ved at dividere længden af ​​kameraet chip med den tilsvarende længde af field-of-view (FOV). I dette eksempel, er længden af ​​kameraet chippen 17,6 mm, og den tilsvarende længde af FOV er 2,4 mm. Derfor M = 17,6 mm / 2,4 mm = 7.33. En lang distance mikroskop anvendes her til at opnå denne mindre FOV.
    1. Udføre nogle uslebne beregninger af forventede hastigheder i nær-væg region. Brug disse estimater til at bestemme optagelse parametre, såsom frame rate og tidsforsinkelse i overensstemmelse med praktiske retningslinjer for PIV 1,2. Bestem den tid det vil tage for en partikel til at rejse 8 pixels. Dette vil bestemme tidsforsinkelsen mellem hver laserimpuls (dt). I tidsserier PIV vil 1/dt bestemme den nødvendige kamera frame rate og skal være mindre end den maksimale billedhastighed tillades af kameraet. Små justeringer i disse parametre kansenere være nødvendigt at optimere flowet optagelse for at opnå en høj kvalitet hastighed data. Hvis den krævede ramme overstiger den maksimale laser impulsfrekvens kan to lasere anvendes til at udføre PIV i ramme-skrævende tilstand. For dette eksempel, betyder frame rate (5 kHz) ikke overskride den maksimale repetitionshastighed af laseren, og dermed kun en enkelt laser er forpligtet til at udføre PIV i tidsserier mode.
  2. Nivellér laser med hensyn til bord
    1. Indstil laser hovedet i den ene ende af et niveau optisk tabel. Placer en stråle dump direkte i strålegangen i den anden ende af bordet.
    2. Placer en optisk jernbane mellem laser hoved og strålen dump. Tape et mål til en stråle blocker, fix strålen blocker til et luftfartsselskab og placer luftfartsselskab på skinnen.
    3. Indstil laseren strøm til en lav strøm indstilling - nok til at lase men ikke nok til at brænde et ark papir. Tænd laseren og skub holderen frem og tilbage. Foretag små justeringer til laseren position UNTil midten af ​​laserstrålen forbliver på ét sted som bæreren bevæger sig frem og tilbage. Fastgør laseren til den optiske tabel.
    4. Måle højden af ​​centrum af laserstrålen ved hjælp af en kombination kvadrat. Slukke laseren.
  3. Installer laser foliedannende optik
    1. Fjern jernbane, men placere strålen blocker med det mål foran strålen dump. Tænd laseren og omhyggeligt markere hvor centrum af strålen rammer målet. Placer foliedannende optik, som er strålen homogenisator (BH), der også omfatter en foliedannende teleskop i denne demonstration, laser stien til dannelse laser ark. Højden af ​​laser ark skal være større end FOV'et. Juster placeringen af ​​BH for at centrere højden og bredden af ​​laser arket om mærket på målet og til at holde tilbage refleksioner fra rejser tilbage i laser hulrum. Placer en åbning mellem laser hovedet og BH, hvis nødvendigt for at undgå tilbage refleksioner. Slukke laseren. Light ark i denne demonstration havde en højde på 8 mm og en tykkelse på 0,5 mm, henholdsvis, og en puls energi på 0,4 mJ / puls.
    2. Hvis pladsen er begrænset på den optiske bordet, placere en 45 ° høj reflektivitet spejl for at tænde laserlys ark ved 90 °. Tape et andet mål til en stråle blocker, fix strålen blocker til et luftfartsselskab og placer luftfartsselskab på skinnen. Placer bæreskinnemontering efter spejlet. Tænd laseren. Foretage små justeringer til spejlet indtil midten af ​​lyspladen forbliver i et sted på målet, som den glider langs skinnen.
    3. Sæt laseren repetitionshastighed at matche frame rate for målinger (5 kHz for eksempel diskuteret her) og indstille laseren strøm til den maksimale indstilling. Placer en jernbane mellem BH og målet. Vedhæft en anden stråle blocker til transportøren, og placer montering på skinnen. Tænd laseren. Skub holderen frem og tilbage for at bestemme placeringen af ​​omdrejningspunktet fra BH. Markér placeringen af ​​focal point i forhold til BH. Hvis et spejl der anvendes, gør målingen i forhold til spejlet. Mål den omtrentlige højde laser arket i brændpunktet. Slukke laseren.
  4. Monter og juster langdistance mikroskop og kamera
    1. Markér de vandrette og lodrette midterlinje af langdistance mikroskop (LDM), og kamera åbninger ved hjælp af en centrering kvadrat og kombination kvadrat. Måle afstanden mellem bordet og de horisontale midterlinier LDM og kamera.
    2. Fastgør LDM og kamera til de luftfartsselskaber og bruge eventuelle afstandsstykker, såsom skiver eller møtrikker, så at de horisontale centerlinier LDM og kamera er i samme højde. Fastgør LDM og kamera på skinnen. Fastgør LDM og kamera ved hjælp af de relevante adaptere. Justere højden af ​​konstruktionen, således at de horisontale midterlinier er den samme afstand over bordet som centrum for lyset ark.
    3. Fix en oversættelse scene foran mærket for den centrale point af strålen. Bevægelsen af ​​oversættelsen etape bliver parallel til strålen formering. Fastgør skinnen med kameraet forsamling til oversættelsen tidspunkt, således at hele samlingen er vinkelret på lyset ark. Centrer kameraet forsamling ved at justere de lodrette centerlinier LDM og kamera med kontaktpunktet.
    4. Slut kameraet til computeren og den høje hastighed controller (HSC). Slut laser til HSC. Hold hætten af ​​kameraet montering på og udføre en intensitet kalibrering i PIV softwareprogram (LaVision DAVIS 7.2).
    5. I softwareprogrammet indstille kameraet til den stadigt grab mode og fjern hætten af ​​kameraet forsamling. Placer en kombination kvadrat i brændpunktet. Flyt kameraet og LDM langs skinnen, indtil en skarpt billede af linealen kommer i fokus. Fortsæt med at flytte kameraet og LDM langs skinnen og bringe billedet i fokus ved hjælp af LDM s fokusering stang indtil kameraet chip spænder det ønskede felt-of-view (2..4 x 1,8 mm 2 svarende til et 800 x 600 pixel chip).
  5. Fastgør en plade til en mount, så den er parallel med bordet og placere den på det omdrejningspunkt. Hæv pladen, så den er synlig i billeder på computeren. Sluk kontinuerlig sensationsprægede og hætte kameraet forsamling. Tænd laseren og sørge laserlys ark gør kontakt langs overfladen af ​​pladen.

3.. Flow Set-up

  1. I denne demonstration er PIV udføres ved at optage billeder af spredt lys fra silikone oliedråber. De oliedråber er skabt ved hjælp af en olie forstøver. Tilslut følgende punkter op til lufttilførsel: et partikelfilter, oliefilter, trykregulator, massestrømsmåler, og olie forstøver. Forbind udgangen af ​​forstøver til et stålrør. Brug en mount og klemme til at fastsætte stålrøret til den optiske bordet, ophøje røret over tabellen og dirigere den mod pladen.
  2. Åbn lufttilførslen ventil. Sæt tilbagepres på trykregulatoren til> 140 kPa for at skabe tilstrækkelig strømning gennem systemet.
  3. Tænd flow og juster podningstæthed gennem forstøveren jetfly og bypass ventil på forstøveren.

4.. Optimering af Set-up

  1. Indtast frame rate i programmet. Kontroller, at HSC sender et trigger signal, der passer til frame rate af laseren. På laseren strømforsyningen, indstilles gentagelse og aktuelle (5 kHz og 15,5 A i dette eksempel, henholdsvis). Indstil laser til ekstern tilstand. Laseren skal løbende modtage et trigger signal fra HSC, der matcher gentagelse sats sæt på laseren før du skifter over til ekstern tilstand ellers laseren vil overophede.
  2. Indstil kameraet til stadighed fat i, tænde for laseren, og tænd forstøver. Brug fokus stang på LDM sørge partikel billeder er i fokus. Sørg også for intensiteten af ​​partiklen billederne er ikke mætte camæra. Hvis ja, skrue ned for laser strøm - dette vil påvirke omdrejningspunkt placering! Gentag trin 2.3.3 og 2.4.3, hvis laser strøm ændres. Sluk opsigtsvækkende tilstand, når fokuserede partikel billederne er opnået.
  3. Optag, gennemgå og justere parametrene for at opnå gyldige hastighedsdata
    1. Optage flere hundrede billeder af flowet. Når optagelsen er færdig, tjek de optagede billeder til at sørge for partikler ikke flytte mere end 8 pixel, som podningstæthed er på rækkefølgen af ​​8-10 partikler pr 32 x 32 pixel forhør vinduet, og for at kontrollere fokus for billederne . Gentag trin 4.3.1-4.3.4 indtil de foregående kriterier er opfyldt.
    2. Hvis partiklerne er at flytte mere end 8 pixels, mindske dt mellem de to PIV laserpulser for at opnå en maksimalt 8 pixel skift. Hvis partiklerne skiftende væsentligt mindre end 8 pixels, øge dt tilsvarende. For enlige laser PIV systemer, er dt justeres ved at ændre frame rate og dermedlaser gentagelse sats. For PIV anvendelse af to lasere, er dt tidsforsinkelsen mellem en impuls fra den første laser og en impuls fra den anden laser. Hvis justering dt ikke afhjælpe problemet, kan frame rate og laser gentagelse satser først justeres, og derefter dt skal muligvis finjusteres igen.
    3. Hvis det er vanskeligt at spore grupper af partikler gennem en serie af billeder, kan der være for meget ude-af-plan bevægelse. Der er flere måder at løse dette problem: a) kompensere kameraet forsamling fra omdrejningspunktet, så kameraet er billedbehandling en tykkere plade lys b) øge arbejdstiden afstanden mellem kameraet og lys plader plane forsamling (og fokusere ved hjælp fokusering stang ) for at opnå en større dybde af fokus, men dette vil reducere den rumlige opløsning.
    4. Hvis podningstæthed er for sparsom eller for tæt, øge eller mindske antallet af sprayflaske jetfly.

5.. Kørsel af eksperimentet

  1. Udfør en cameren intensitet kalibrering med hætten på kameraet forsamling til at sætte en reference for intensiteten. Når kalibreringen er færdig, fjerne hætten.
  2. Indstil laseren til den optimerede gentagelse og aktuelle. Før du skifter laseren til ekstern tilstand, sørg laseren modtager en kontinuerlig udløsersignal der matcher den indstillede frekvens. Tænd laseren på.
  3. Optag en sekvens af baggrundsbilleder med blot lyspladen græsning overfladen af ​​pladen. Gem disse billeder.
  4. Tænd strømmen og lade strømmen at stabilisere.
  5. Indstil kameraet til løbende at få fat i, og kontrollere, at kameraet er at indsamle fokuserede partikel billeder. Sluk den kontinuerlige grab mode.
  6. Indtast det ønskede antal billeder, og tryk derefter på rekord.
  7. Når optagelsen er færdig, skal du slukke flow og laser. Gennemgå sekvens af billeder og tjek partikel skift, podningstæthed og partikel billede fokus. Gemme optagelsen, hvis tilfredse ellers gentage trin 5,4-5,7. Gentag trin 5,4-5,7 at indsamle flere kørsler.
  8. Øge eksponeringen tid (mængden af ​​tid pr ramme at kameraet indsamle billeder) på kameraet.
  9. Sæt en kalibrering mål i lyset ark flyet og sørge det kommer i kontakt med pladen. Oplys målet bagfra med en lyskilde (dvs. lommelygte). Med kameraet i kontinuerlig grab-mode, skal du justere målsætningen, således at det optagne billede er i fokus, og ikke fordrejes. Sørg for, at kontakten mellem pladen og målet er synlig i billedet - det er afgørende for at bestemme placeringen af ​​pladen i billederne.
  10. Optage 10 billeder af kalibreringen målet. Gentag trin 5,9-5,11 hver gang kameraet samling eller fokus ændres.

6.. Databehandling

  1. PIV software program, der anvendes i denne demonstration var LaVision DAVIS 8.1. Gennemsnit hvert sæt kalibrering target billeder. Brug det resulterende billede i kalibrerings rouTine til at bestemme de ægte verdens dimensioner af tilkøbte billeder.
  2. Påfør hver kalibrering til den tilsvarende sæt billeder.
  3. Bestemme placeringen af ​​pladen i de kalibrerede billeder. Denne information er nødvendig for at skabe en geometrisk maske (beskrevet i 6.6).
  4. Gennemsnit baggrundsbilleder. Undersøg, om laser refleksioner fra overfladen bidrage væsentligt til baggrundsstøj ved at sammenligne intensiteten tællinger af den gennemsnitlige baggrundsbillede til den intensitet tæller for såning partikler. Bright laser refleksioner nær muren vil have intensiteter højere end partikel intensiteter. Dette vil have en negativ indvirkning PIV korrelationer nær væggen og begrænse placeringen af ​​den første pålidelige vektor nærmest væggen. I dette eksempel har laser refleksioner ikke bidrager væsentligt til baggrunden.
  5. Pre-proces de kalibrerede flow billeder ved hjælp af en high-pass filter (trække glidende baggrund filter) til at fjerne store intensitet udsvingtioner i baggrunden, såsom laser refleksioner. Partikel-signaler har små intensitetsfluktuationer og vil passere gennem filteret.
  6. Definer en geometrisk maske - brug en rektangulær maske til at deaktivere vektorudregning hvor pladen ligger i billederne. Bemærk: DAVIS har to muligheder for geometriske masker: en, der gør det muligt for PIV korrelationer inden for den angivne region, og en, der deaktiverer PIV korrelationer inden for den angivne region. En maske for at aktivere PIV algoritmen i det angivne område blev anvendt i denne demonstration.
  7. I et "Advanced maske settings" menuen, så sørg maske anvendes korrekt (dvs. kun bruge pixels inde i masken).
  8. Angiv vektorudregning procedure i dette eksempel en multi-pass procedure med faldende vinduesstørrelse blev brugt - 2 indledende gennemløb hjælp 64 x 64 pixel forhørsmetoder vinduer med 50% overlap efterfulgt af 3 omgange med 32 x 32 pixel forhørsmetoder vinduer med 50% overlap .
  9. Hastighedsvektoren felteri denne demonstration blev efterbehandlede bruge fem subrutiner til at forbedre kvaliteten af ​​de krydskorrelationsintervallerne resultater: a) Kom maske permanent b) Fjern vektorer med et højdepunkt ratio (Q) <1,1, c) Anvende en median filter d) Fjern grupper med <5 vektorer e) Anvend vektor fylde op. Den maksimale ratio (Q) er defineret som Ligning , Hvor P1 og P2 er den første og anden største korrelation toppe, henholdsvis, og min er den minimale værdi i sammenhængen plan. Q er en parameter til vurdering af kvaliteten af en vektor. Q sammenligner den højeste korrelation top, hvilket resulterer i den bedste vektor, til den fælles korrelation baggrunden repræsenteret ved den næsthøjeste korrelation top. Vektorer med Q nær 1 er en indikation, at den højeste korrelation top er en falsk højdepunkt. Dernæst median filter bestemmer medianen vektor (u median, mod median) I en gruppe af vektorer og afvigelsen af de tilstødende vektorer (u rms, V rms). Den medianfilter afviser den midterste vektor (u, v), hvis det ikke passer til følgende kriterier: u median - u rms ≤ u ≤ u median + u rms og v median - v rms ≤ v ≤ v median + v rms. Derudover er det muligt at finde grupper af falske vektorer hvis en stor overlapning blev angivet i hastighedsvektoren beregning. Derfor er det muligt at fjerne grupper af vektorer med mindre end et bestemt antal vektorer. Når falske vektorer er fjernet, vektor fylde kan bruges til at fylde de tomme rum med interpolerede vektorer bestemt ud fra ikke-nul tilstødende vektorer. Endelig vil anvende masken permanent slette eventuelle vektorer uden masken.
  10. Vurdere kvaliteten af ​​resultaterne: a) Har resultaternegøre fysisk forstand? (Dvs. langsommere hastigheder nær grænsen, stigende hastigheder med stigende afstand fra væggen, retningen af vektorerne følge den generelle retning af strømmen, osv.) b) Den resulterende vektor felt er hovedsagelig sammensat af første valg vektorer (indikeret ved PIV forarbejdning software). Typisk anbefales det at fraktionen af ​​første valg vektorer være højere end 95%. En bredere vifte af efterbehandling trin er beskrevet i litteraturen, fx 1,2.

Representative Results

Et billede af opsætningen er vist i figur 1. Rå partikel billeder af en 32 x 32 pixel forhør vindue tæt på væggen fra to fortløbende optagne billeder er vist i fig. 2. Partiklerne i figur 2a er forskudt 2-3 pixels til højre i figur 2b og tilfredsstille "en fjerdedel regel", som det hedder, at i plan og out-of-plane partikel forskydninger ikke bør overstige ¼ af forhør vinduets størrelse . Desuden bør partikel tæthed pr forhør vindue være omkring 8-10 partikler siden PIV korrelation algoritmer spore grupper af partikler. Imidlertid podningstæthed i nær-væg PIV undersøgelserne er ofte i størrelsesordenen 1-3 partikler. Således bør særlige algoritmer bruges til at behandle studier med lavere podningstæthed, såsom partikel sporing Velocimetri (PTV) algoritmer, som sporer enkelte partikler 1,2,4-6. En tidsgennemsnitlig sammenhæng tilgang7,8 kan også anvendes til at behandle lave podningstæthed problemer, men dette resulterer generelt i tab af tidsmæssige opløsning. Derudover er imaging nær vægge påvirket af lyse laser reflekser, der kan påvirke PIV korrelationer og producere falske vektorer. Disse lyse refleksioner begrænser også positionen af ​​den første gyldige hastighedsvektoren i væggen normale retning. Pre-behandling af rå partikel billederne er nødvendig for at reducere virkningen af ​​baggrundsstøj fra kilder såsom laser refleksioner. I denne demonstration den første gyldige vektor blev placeret 23 um fra væggen.

Efter rå partikel billeder behandles ved hjælp af PIV korrelation algoritmer bør kvaliteten og gyldigheden af ​​de resulterende hastighedsvektor felter skal vurderes. Spurious vektorer er uundgåeligt i de rå vektor områder, men der er et par særlige kendetegn. Ukorrekte vektorer er fælles nær overflader ved kanterne af lyspladen, og ved kanterne ofa flow. Desuden adskiller størrelse og retning af ugyldige vektorer markant fra tilstødende vektorer og vil ikke gøre fysisk forstand. I tilfælde af denne grænselagsstrøm eksempel bør de gyldige hastighedsvektorerne peger fra venstre mod højre som partikel forskydninger fra figur 2 viser. Derudover bør hastighederne falde tæt på væggen som følge af ikke-slip tilstand 9. De øjeblikkelige hastighedsfelter vist i figur 3 passer begge disse fysiske kriterier. En anden nyttig parameter til at vurdere gyldigheden af ​​PIV resultater er at bestemme vektor valget af hver vektor i hastighedsvektoren feltet. I almindelighed bør vektoren feltet består af> = 95% første valg vektorer, dvs der kræves ingen efterbehandling, således at robuste efterbehandling algoritmer kan anvendes til at detektere og erstatte falske vektorer uden producerede betydelige artefakter 2. De øjeblikkelige vektor felter vist i

Betydningen af ​​højhastigheds-eller filmværk, PIV målinger bliver tydelig fra en inspektion af en sekvens af billeder i bevægelse. Øjeblikkelig hastighed (V i) og hastighed udsving (V) vektor felter i begyndelsen, midten og slutningen af optagelsen sekvensen vist i figur 3.. Ved hjælp af en Reynolds nedbrydning V i er summen af den midlede hastighed feltet ( Ligning ) Og V «10. Til dette eksperiment, Ligning blev bestemt ved timeligt gennemsnit alle billederne i sekvensen. De øjeblikkelige vektor områder gennemud optagelsen sekvens er meget ens og viser strømmen bevæger sig fra venstre til højre. Disse resultater indikerer også, at strømmen er overvejende horisontal retning siden vandrette hastighed komponent (u) er langt større end den vertikale lufthastighed komponent (v). Udsvinget vektor felter viser også, at de horisontale hastighed udsving (u '), er større end den vertikale lufthastighed udsving (V). Men de udsving, viser også, at strømmen er aftagende, da u 'vender sin retning i optagelsen sekvens.

Den tidsgennemsnitlige og øjeblikkelige u - profiler på flere forskellige tidspunkter i løbet af optagelsen sekvensen er vist i figur 4 og kontrollere, at strømmen er aftagende over tid. Den u - profiler, vire bestemmes som gennemsnittet fire tilstødende vektor kolonner sammen for at forbedre den statistiske signifikans af resultaterne tæt på væggen. Den procedure blev anvendt i tidligere arbejde 6,8. Fejlsøjlerne angiver den dobbelte standardafvigelse af de fire tilstødende vektor kolonner. Den største fejl bar opstår i nærheden af ​​overfladen af ​​pladen og bekræfter vanskeligheden ved hjælp PIV korrelation algoritmer til områder med lav podningstæthed. Adskillige algoritmer er designet til at løse low podningstæthed såsom PTV 5,6 og tidsgennemsnit korrelation tilgange 7,8.

Figur 1
Figur 1. Benchtop forsamling.

Figur 2
Figur 2. Partikel billeder i en 32 x 32 pixel forhør nær væggen ved a) t = 0,2 msek og b), t = 0,4 msek. De fysiske dimensioner forhør vinduet er 96 x 96 um 2.

Figur 3
Figur 3 Til venstre:. Øjeblikkelige (V i), og til højre: udsving (V) hastighedsfelter i begyndelsen, midten og slutningen af optagelsen sekvensen. Vector felter er sammensat udelukkende af første-choice vektorer. En mindre delmængde af vektorfelter er vist for klarhed. V I felter indikerer flow flytter fra venstre til højre, mens V 'modsat retning. Bemærk, at kun hver fjerde vektor kolonne i vandret retning er vist for klarhed. Derudover, Hastighed skala mellem V I og V 'felter er anderledes, som anført i øverste venstre hjørne af hvert billede.

Figur 4
Figur 4.. Horisontale velocity (u) profiler på forskellige tidspunkter i løbet af strømmen. Tidsgennemsnitlig u - profil er vist med cirkler. Fejllinjer vises på t = 0,1 msek profil er repræsentative for fejlsøjler for alle andre tidspunkter. Den tid historie u - profiler viser et fald i strømmen over tid.

Discussion

Som med enhver optisk flowmåling teknik kræver planlægning opsætning af high-speed partikel billedet Velocimetri (PIV) vurdering af begrænsninger og evaluering af de bedste kompromiser til måling opgave. Udvælgelsen af ​​forstørrelsen, frame rate, laser arkegenskaber, og analysealgoritmer afhænger detaljer af strømmen under undersøgelse. Om nødvendigt må sonderende målinger udføres for at identificere parameterindstillinger til high fidelity målinger.

Denne artikel beskriver den generelle procedure og nogle prøveresultaterne til high-speed PIV at studere grænselaget af strømning langs en flad plade. En sekvens af 500 billeder blev optaget ved 5 kHz. En langdistance mikroskop blev anvendt til at opnå en 2,4 x 1,8 mm 2 field-of-view placeret på pladens overflade. Høj kvalitet belysning af frø oliedråber blev opnået med en stråle fra en pulserende diode-pumpet solid-state laser, der blev udvidet i en lys sheet hjælp af en stråle homogenisator. Strålen Homogenisatoren indeholder en mikro-Linsearrayet består af små cylindriske linser og en ekstra, integreret teleskop. Den mikro-linsearray udvider cirkulære stråle i lodret retning ved at opdele den indkommende stråle ind beamlets. Derefter følgende teleskop Indkopierer beamlets at skabe en lys plade med en jævn lysintensitet fordeling i lyset ark plan normalt på bjælken formering. Billeder blev behandlet ved hjælp af en PIV krydskorrelation algoritme. Det skal bemærkes, at en homogeniseret stråle er nyttige, især når de arbejder i nærheden overflader, men det er ikke afgørende for anvendelsen beskrevet her.

Metoden i denne procedure gør det muligt ikke-indgribende høj opløsning, høj hastighed undersøgelser af strømme ved hjælp af robuste korrelation algoritmer. De vigtigste fordele ved denne høje opløsning, high-speed måleteknik er høj rumlig og tidsmæssig opløsning og evnen til at identificere og sporeudviklingen af ​​strukturer i strømmen. Ved hjælp af disse teknikker, Alharbi 6 og Jainski et al. 8. have demonstreret evne til at visualisere og spore vortex strukturer i grænselaget af en forbrændingsmotor. Disse centrale funktioner muliggøre undersøgelser på struktur og dynamik af meget forbigående strømme. Endvidere kan PIV udvides ud over den to-dimensionale, to-komponent (2D-2C) hastighedsfelter (som beskrevet her) for at løse 3-komponenter (3C) i et plan (stereo-PIV) og i et volumen (tomografisk PIV , scanning PIV, holografisk PIV). Derudover kan PIV gennemføres med andre teknikker såsom plane laser-induceret fluorescens (PLIF), filtreret Rayleigh scattering (FRS) og termografiske fosfor for at opnå samtidige 2D målinger af hastighed og andre skalarer (temperatur, art koncentration, ækvivalensforhold) 11 -14. Disse optiske, laser-baserede metoder kan anvendes direkte til at undersøge masse ogEnergy Exchange processer i mange applikationer, såsom nær-væg flyder i en forbrændingsmotor.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Dette materiale er baseret på arbejde, støttet af den amerikanske National Science Foundation under Grant No CBET-1032930 og arbejde udført på 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