High-Speed-Particle Image Velocimetry Nahe Surfaces

Engineering
 

Summary

Ein Verfahren zur Untersuchung von transienten Strömungen in der Nähe Grenzen mit hochauflösenden, High-Speed-Particle Image Velocimetry (PIV) wird hier beschrieben. PIV ist eine non-intrusive Messtechnik auf jede optisch zugänglichen Strömung durch die Optimierung mehrerer Parameter Zwänge wie die Bild-und Aufnahme-Eigenschaften, die Laser-Blatt Eigenschaften und Analyse-Algorithmen.

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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

Multi-dimensional und transiente Strömungen spielen eine wichtige Rolle in vielen Bereichen der Wissenschaft, Technik und Gesundheitswissenschaften, sind aber oft nicht gut verstanden. Die komplexe Natur dieser Strömungen kann studierte mit Particle Image Velocimetry (PIV), ein Laser-Imaging-Technik für optisch zugänglichen Flows werden. Obwohl viele Formen von PIV bestehen Zur Erweiterung der Technik über die ursprüngliche ebene Zweikomponenten-Geschwindigkeitsmessung Fähigkeiten besteht der grundlegende PIV System von einer Lichtquelle (Laser), einer Kamera, einem Tracer-Partikel und die Analyse-Algorithmen. Die Bilderzeugungs-und Aufzeichnungsgerät Parameter, die Lichtquelle und die Algorithmen angepasst, um die Aufzeichnung für die Strömung von Interesse zu optimieren und zu erhalten gültig Geschwindigkeitsdaten.

Gemeinsame PIV Untersuchungen Maßnahme Zweikomponenten-Geschwindigkeiten in einer Ebene in ein paar Frames pro Sekunde. Allerdings haben die jüngsten Entwicklungen in der Instrumentierung erleichtert haben High-Frame-Rate (> 1 kHz) Messungen auflösen Übergangent fließt mit hoher zeitlicher Auflösung. Daher haben High-Frame-Rate-Messungen fähigen Untersuchungen über die Entwicklung der Struktur und Dynamik von hochtransienter fließt. Diese Untersuchungen spielen eine entscheidende Rolle für das Verständnis der grundlegenden Physik komplexer Strömungen.

Eine detaillierte Beschreibung zur Durchführung hochauflösende High-Speed-planaren PIV um einen transienten Strömung in der Nähe der Oberfläche einer flachen Platte studieren wird hier vorgestellt. Einzelheiten zum Einstellen der Parameter Einschränkungen wie Bild und Aufzeichnung Eigenschaften, die Laser-Blatt Eigenschaften und Verarbeitung von Algorithmen zur PIV für jede Strömung von Interesse anzupassen sind enthalten.

Introduction

Multi-dimensionale Messungen der Geschwindigkeiten und die Fähigkeit, den Fluss Feld in der Zeit zu verfolgen kritische Informationen in vielen Bereichen der Wissenschaft, Technik und Gesundheitswissenschaften. Zu den am häufigsten verwendeten Techniken zum Flußabbildungs ​​ist Particle Image Velocimetry (PIV). Zunächst als planare Technik, die gemessen Schnappschüsse der beiden in-plane Geschwindigkeitskomponenten, PIV Varianten entwickelt worden, um drei-Komponente und volumetrische Messung Funktionen bieten etabliert. Alle PIV-Systeme bestehen aus Tracer-Partikel, eine oder mehrere Lichtquellen und einer oder mehreren Kameras. Feste Teilchen oder Tröpfchen werden üblicherweise als Tracer-Partikel verwendet werden, aber Blasen inhärent in der Strömung kann auch als Tracer-Partikel verwendet werden. Die Kamera (s) dann Bild (er) gestreuten oder emittierten Lichts von der Tracer-Partikel, nachdem sie durch die Lichtquelle (n) bestrahlt werden. Unter der Vielzahl von Variationen 1,2 die häufigste erfasst zwei Geschwindigkeitskomponenten in einer Ebene in einem Rattene in Einzelbildern pro Sekunde. In jüngerer Zeit hat neue Geräte High-Frame-Rate-Messungen (> 1 kHz), die den Fluss folgen an turbulenten Zeitskalen im kHz-Bereich aktiviert.

PIV bestimmt ein Geschwindigkeitsfeld durch Verfolgen der Bewegung des mittleren Teilchen-Gruppen aus einem Paar von Bildern, die durch eine bekannte Zeitverzögerung getrennt sind. Jedes Bild wird in ein Gitter aus regelmäßig beabstandeten Abfrage Fenster aufgeteilt. Die häufigste Verhör Fenstergröße beträgt 32 x 32 Pixel. Ein Algorithmus berechnet die Kreuzkorrelationsfunktion für alle Abfrage-Fenster, was zu einer Verschiebung Vektor pro Abfrage Fenster und erzeugt daher ein regelmäßiges Gitter von Vektoren. Die Aufteilung der Verschiebungsvektorfeld durch Zeitverzögerung bestimmt dann die Geschwindigkeitsvektorfeld.

Bei der Planung PIV Messungen ist es wichtig zu erkennen, dass in der Regel die Wahl der experimentellen Einstellungen ein Kompromiss zwischen widersprüchlichen Anforderungen ist. In anderen Worten, die Experimentementale Zustände müssen sorgfältig geplant werden, um die Aspekte der Strömung, die von Bedeutung sind für die Studie bei der Hand zu erfassen. Die Bücher von Raffel et al. 1 und Adrian und Westerweel 2 bieten hervorragende eingehende Gespräche von diesen Zwängen. Hier stellen wir einige, die die wichtigsten in diesem Zusammenhang sind.

Die Wahl des Field-of-View (FOV) wird den Ausgangspunkt für die Auswahl der Parameter eingestellt. Die Anzahl der Pixel auf dem Kamerachip bestimmt dann die räumliche Auflösung und die Anzahl der Vektoren, die erhalten werden, vorausgesetzt, dass eine auf die Abfrage Fenstergrößen von 32 x 32 Pixel, oft mit einer Überlappung von 50% während der Kreuzkorrelation Verfahren verwenden will. A Aussaatdichte von 8-10 Partikeln pro Abfrage Fenster wird in der Regel erwünscht ist, die Kreuzkorrelationsfunktion zu unterstützen. Allerdings gibt es spezielle Algorithmen, wie Particle Tracking Velocimetry (PTV) und zeitlich gemittelte Korrelation Ansätze, die möglicherweiseverwendet werden, um Situationen mit geringer Aussaatdichte (1-3 Partikel / Verhör Fenster) anzusprechen wie es der Fall mit bildgebenden Nähe von Oberflächen werden. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeitsgradienten in jedem Verhör Fenster sollte klein sein, um eine Vorspannung in der resultierenden repräsentativen Vektor für dieses Fenster zu vermeiden.

Eine aufgestellte Regel-of-Daumen ist, dass die Partikel Verschiebungen zwischen dem ersten und zweiten Rahmen sollte nicht mehr als 8 Pixel (¼ des Abfragesignals Fenstergröße), um die Anzahl von Paaren Verluste (Verlust von Teilchen Bilder innerhalb der Abfragezone Fenster von der ersten zu reduzieren Rahmen an dem zweiten Rahmen) für die Korrelation. Als Ergebnis ist die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserimpulsen (dt) entsprechend angepasst werden. Allerdings wird durch die verringerte dt unter dem Betrag von 8-Pixel-Verschiebungen Geschwindigkeit herabsetzen Dynamikbereich, da das untere Ende Auflösungsgrenze in der Größenordnung von 0,1 Pixelversatzfeld.

Ähnlich wie bei der 8-Pixel-Verschiebung within der Bildebene, die höchste Geschwindigkeit Teilchen nicht durchqueren mehr als ¼ der Blechdicke Licht, wieder um die Anzahl der Kopplung zu reduzieren. Da die zeitliche Verzögerung zwischen zwei Laserpulsen verwendet, um die beste Korrelation innerhalb der Lichtschnitt-Ebene zu gewährleisten, ist die Dicke der Folie eine Variable in diesem Zusammenhang. Während die Gleichmäßigkeit der Lichtintensität ist nicht so kritisch wie bei intensitätsbasierten Messungen wie planare laserinduzierte Fluoreszenz-Imaging-3, eine in der Nähe von Hut-Strahlprofil hilft PIV Qualität, vor allem für eine höhere Auflösung Bildgebung.

Im Allgemeinen können einige Annahmen über die Art der Strömung unter Studie als Ausgangspunkt bei der Auswahl der experimentellen Parameter verwendet werden. Dann könnte orientierende Versuche benötigt, um die Einstellungen zu verfeinern.

Hier beschreiben wir, wie Sie ein Experiment, das PIV hohe Bildrate bildgebenden Messungen von zwei Geschwindigkeit compone erlaubtngen mit einer räumlichen Auflösung, die ausreicht, um Grenzschicht Strukturen zu lösen ist. Dies wird durch die Verwendung eines High-Folgefrequenz erreicht TEM 00 diodengepumpten Festkörperlaser, ein Fern-Mikroskop und einer hohen Rahmenrate CMOS-Kamera. Ein paar Details auf die Bildgebung in der Nähe von Oberflächen sind ebenfalls enthalten.

Protocol

1. Lab Sicherheit

  1. Bewertung Laserschutz Materials vor Betreiben eines Lasers und sicherzustellen, dass die Ausbildung Anforderungen erfüllt wurden.
  2. Besorgen Sie sich die richtige Schutzausrüstung für die Arbeit mit Lasern. Jeder Einzelne sollte tragen ein Paar Laser Schutzbrille, dass der Laser die Emissionswellenlänge (e) blockiert werden. Installieren Sie ein Warnzeichen außerhalb des Labors andere wissen zu lassen, wenn der Laser in Betrieb ist. Hang Laserschutz Vorhänge um die optische Bank, um sie von anderen Mitarbeitern isolieren in einem gemeinsamen Labor Raum.
  3. Entfernen Sie alle Uhren und Schmuck bei der Arbeit mit Lasern.
  4. Betrachten Sie den Strahlengang beim Einrichten Ausrüstung: Ausrüstung einzurichten, so dass Anpassungen nicht verlangen, werden Erreichen oberhalb oder unterhalb des Balkens.
  5. Lesen Sie den Laser manuell zu bestimmen, wie der Laser sicher zu betreiben.
  6. Halten Sie Ihre Augenhöhe aus der Ebene des Laserstrahls!

2. Tisch-Set-up

  1. Bestimmen Sie die Vergrößerung tHut für die Applikation erforderlich sind, und wählen Sie das entsprechende Objektiv. Die Vergrößerung (M) durch Dividieren der Länge der Kamera-Chip mit der entsprechenden Länge des Feld-of-view (FOV) bestimmt werden. In diesem Beispiel ist die Länge von dem Kamerachip 17,6 mm und die entsprechende Länge des FOV beträgt 2,4 mm. Deshalb, M = 17,6 mm / 2,4 mm = 7,33. Ein Langstrecken-Mikroskop ist hier, um diese kleineren FOV zu erzielen.
    1. Führen Sie einige grobe Berechnungen der erwarteten Geschwindigkeiten im wandnahen Bereich. Verwenden Sie diese Schätzungen mit den Aufnahme-Parameter, wie z. B. die Bildrate und die Zeitverzögerung nach praktischen Leitlinien für PIV 1,2 bestimmen. Bestimmen Sie die Zeit, die für ein Teilchen bis 8 Pixel reisen brauchen. Dies bestimmt die Zeitverzögerung zwischen jedem Laserpuls (dt). In Zeitreihen PIV wird 1/dt bestimmen die notwendige Kamera Bildrate und muss kleiner sein als die maximale Bildrate von der Kamera erlaubt. Kleine Anpassungen an diesen Parametern kannspäter erforderlich sein, um die Strömung zu optimieren, um die Aufnahme hoher Qualität Geschwindigkeitsdaten erhalten. Wenn die gewünschte Bildrate überschreitet die maximale Repetitionsrate können zwei Laser verwendet, um PIV in Rahmen-rittlings Modus durchzuführen. In diesem Beispiel ist die Bildfrequenz (5 kHz) nicht mehr als die maximale Wiederholungsfrequenz des Lasers und somit nur ein einziger Laser benötigt, um PIV in Zeitreihen-Modus durchzuführen.
  2. Richten Sie den Laser mit Bezug auf Tabelle
    1. Stellen Sie den Laser-Kopf an einem Ende eines Levels optischen Tisch. Platzieren einer Lichtfalle direkt in den Strahlengang an dem anderen Ende des Tisches.
    2. Legen Sie eine optische Schiene zwischen dem Laserkopf und dem Beam Dump. Band ein Ziel zu einem Strahl-Blocker, fixieren Sie die Strahl-Blocker mit einem Träger und platzieren Sie den Träger auf der Schiene.
    3. Stellen Sie den Laser auf einen niedrigen aktuelle Einstellung - genug, um zu lasern, aber nicht genug, um ein Blatt Papier zu brennen. Schalten Sie den Laser und schieben Sie den Träger hin und her. Machen Sie kleine Anpassungen an der Laser-Position until das Zentrum des Laserstrahls bleibt an einer Stelle, wenn der Träger hin und her bewegt. Befestigen Sie den Laser auf die optischen Tisch.
    4. Messen Sie die Höhe der Mitte des Laserstrahls mit einer Kombination Platz. Schalten Sie den Laser.
  3. Installieren Laser Blechumformung Optik
    1. Entfernen Schiene aber stellen den Strahl-Blocker mit dem Ziel vor der Lichtfalle. Aktivieren des Lasers und sorgfältig zu markieren, wo das Zentrum des Strahls das Ziel trifft. Platzieren Sie die Blattbildung Optik, die Strahlhomogenisierer (BH), die auch eine Blattbildung Teleskop in dieser Demonstration in der Laser-Pfad, um den Laser-Folie zu bilden. Die Höhe der Laserebene muss größer sein als der FOV. Stellen Sie die Position der BH zum Zentrum die Höhe und Breite des Lasers Bogen über der Markierung auf dem Ziel zu halten und wieder Reflexionen von Reisen zurück in den Laser-Resonator. Legen Sie eine Öffnung zwischen dem Laserkopf und BH ggf. zu vermeiden Rückreflexionen. Schalten Sie den Laser. Die licht Blatt in dieser Demonstration hatte eine Höhe von 8 mm und einer Dicke von 0,5 mm sind, und einer Pulsenergie von 0,4 mJ / Puls.
    2. Wenn der Platz auf dem optischen Tisch begrenzt ist, legen Sie einen 45 °-Reflexion Spiegel, um das Laserlicht Blatt um 90 ° drehen. Band ein anderes Ziel zu einem Strahl-Blocker, fixieren Sie die Strahl-Blocker auf einen Träger und platzieren Sie den Träger auf der Schiene. Legen Sie die Schiene nach Montage des Spiegels. Schalten Sie den Laser. Machen Sie kleine Anpassungen an den Spiegel, bis das Zentrum des Lichts Blatt an einem Ort bleibt auf dem Ziel, wie es entlang der Schiene gleitet.
    3. Stellen Sie den Laser-Wiederholrate, um die Bildrate für Messungen (5 kHz für die hier diskutierten Beispiel) entsprechen und den Laser auf den maximal Einstellung. Legen Sie eine Schiene zwischen der BH und Ziel. Bringen Sie einen zweiten Strahl-Blocker auf den Träger und die Assembly auf der Schiene. Schalten Sie den Laser. Schieben Sie den Träger hin und her, um die Position des Brennpunktes von der BH zu bestimmen. Markieren Sie die Stelle des focal Punkt gegenüber dem BH. Wenn ein Spiegel verwendet wird, um Messung relativ zu dem Spiegel. Messen Sie die ungefähre Höhe des Lasers Blatt im Brennpunkt. Schalten Sie den Laser.
  4. Montieren und justieren Ferngespräche Mikroskop und Kamera
    1. Markieren Sie die horizontalen und vertikalen Mittellinien der Langstrecken-Mikroskop (LDM) und Kamera-Öffnungen mit einer Zentrierung Platz und Kombination Platz. Den Abstand zwischen dem Tisch und der horizontalen Mittellinien der LDM und Kamera.
    2. Befestigen der LDM und Kamera auf die Träger und verwenden Abstandshalter, wie Scheiben oder Muttern, so dass die horizontalen Mittellinien der LDM und der Kamera auf der gleichen Höhe sind. Befestigen Sie den LDM und Kamera auf der Schiene. Befestigen Sie die Kamera mit LDM und die entsprechenden Adapter. Stellen Sie die Höhe der Anordnung so, dass die horizontalen Mittellinien der gleiche Abstand über dem Tisch als Zentrum des Lichts Blatt sind.
    3. Fix eine Übersetzung der Bühne vor der Marke für den Schwerpunktbereich point des Strahls. Die Bewegung der Translationsbühne wird parallel zu der Strahlausbreitung. Befestigen der Schiene mit der Kameraanordnung zur Übersetzung Stufe, so dass die gesamte Anordnung senkrecht zu der Lichtebene. Zentrum der Kamera Montage, indem Sie die vertikalen Mittellinien der LDM und Kamera mit dem Brennpunkt.
    4. Schließen Sie die Kamera mit dem Computer und dem High-Speed ​​Controller (HSC). Verbinden Sie den Laser auf den HSC. Bewahren Sie die Abdeckung der Kamera Montage auf und führen Sie eine Kalibrierung Intensität in der PIV-Software-Programm (LaVision DaVis 7.2).
    5. In der Software stellen Sie die Kamera auf die kontinuierlich grab-Modus und entfernen Sie die Kappe der Kamera Montage. Legen Sie eine Kombination Platz im Brennpunkt. Bewegen Sie die Kamera und LDM entlang der Schiene, bis ein scharfes Bild des Herrschers in den Fokus rückt. Weiter, um die Kamera und LDM entlang der Schiene bewegen und bringen das Bild in den Mittelpunkt mit der LDM Justierstab bis die Kamera-Chip umfasst das gewünschte Feld-of-view (2.4 x 1,8 mm 2, entsprechend einem 800 x 600 Pixel Chip).
  5. Fix eine Platte an einer Halterung, so dass es parallel zum Tisch ist und legen Sie sie im Brennpunkt. Anheben der Platte, so daß sie in den Bildern sichtbar auf dem Computer ist. Schalten kontinuierliche erregenden und Kappe der Kamera Montage. Schalten Sie den Laser und stellen Sie sicher, das Laserlicht Blatt macht kontaktieren entlang der Oberfläche der Platte.

3. Flow-Set-up

  1. In dieser Demonstration wird PIV durch Aufnahme von Bildern von Streulicht aus Siliconöltröpfchen durchgeführt. Die Öltröpfchen werden mit einer Öl Zerstäuber. Verbinden Sie die folgenden Elemente bis zu einer Luftzufuhr: ein Partikelfilter, Ölfilter, Druckregler, Massendurchflussmesser und Öl Zerstäuber. Verbinden Sie den Ausgang des Zerstäubers zu einem Stahlrohr. Verwenden Sie eine Halterung und klemmen die Stahlrohr zur optischen Tisch zu beheben, erhöhen Sie den Schlauch über den Tisch und richten Sie sie auf den Teller.
  2. Öffnen Sie die Luftzufuhrventil. Stellen Sie den RückenDruck am Druckregler zu> 140 kPa genug Durchfluss durch das System zu erstellen.
  3. Schalten Sie den Strom und stellen Sie die Aussaatdichte durch die Düsen und Zerstäuber die Bypass-Ventile an den Zerstäuber.

4. Optimierung des Set-up

  1. Geben Sie die Frame-Rate in der Software. Überprüfen Sie, dass die HSC sendet ein Trigger-Signal, das die Framerate entspricht der Laser. Auf der Laser Stromversorgung, setzen Sie die Wiederholrate und Strom (5 kHz und 15,5 A in diesem Beispiel, respectively). Stellen Sie den Laser auf externen Modus. Der Laser muss ständig erhalten ein Trigger-Signal von der HSC, die Wiederholrate Satz auf dem Laser passt vor dem Umschalten auf externen Modus oder auch der Laser überhitzt.
  2. Stellen Sie die Kamera kontinuierlich zu greifen, schalten Sie den Laser an und schalten Sie den Zerstäuber. Mit der Fokussierung auf die Stange LDM sicherstellen Teilchen Bilder sind im Fokus. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Intensität der Teilchen Bilder ist nicht Sättigung der camÄra. Wenn dem so ist, sollten Sie die aktuelle Laser - dies wird den Brennpunkt Standort beeinflussen! Wiederholen Sie die Schritte 2.3.3 und 2.4.3, wenn Laser-Strom wird verändert. Schalten erregenden Modus, wenn konzentriert Teilchen Bilder erreicht werden.
  3. Die Bilanz, Überprüfung und Anpassung von Parametern für den Erhalt gültig Geschwindigkeitsdaten
    1. Nehmen Sie mehrere hundert Bilder der Strömung. Nachdem die Aufnahme beendet ist, überprüfen Sie die aufgezeichneten Bilder, um sicherzustellen, Teilchen nicht verschieben mehr als 8 Pixel, dass die Aussaatdichte in der Größenordnung von 8-10 Teilchen pro 32 x 32 Pixel Verhör Fenster ist, und den Fokus der Bilder überprüfen . Wiederholen Sie die Schritte 4.3.1-4.3.4 bis zum vorangegangenen Kriterien erfüllt sind.
    2. Wenn die Teilchen Verschiebung sind mehr als 8 Pixel, verringern Sie die dt zwischen den beiden PIV Laserpulse zu maximal 8 Pixelverschiebungen erreichen. Wenn die Teilchen im wesentlichen Verschiebung weniger als 8 Pixel, erhöhen die dt entsprechend. Für Einzel-Laser-PIV-Systemen wird die dt durch Verändern der Bildfrequenz eingestellt und damitdie Laserwiederholungsrate. Für PIV mit zwei Lasern liegt dt die Zeitverzögerung zwischen einem Impuls von dem ersten Laser und einem Impuls des zweiten Lasers. Wenn Einstellung dt beiden Maßnahmen nicht das Problem, kann die Bildrate und Laser Repetitionsraten erste eingestellt werden und dann dt muss möglicherweise Feinabstimmung wieder.
    3. Wenn es schwierig ist, Gruppen der Partikel in eine Reihe von Bildern zu verfolgen, kann es zu viel out-of-plane Bewegung. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses Problem anzugehen: a) versetzt die Kamera Montage vom Brennpunkt, so dass die Kamera-Bildgebung ist eine dickere leichtes Blatt, b) Erhöhung der Arbeitsabstand zwischen der Kamera und Licht Blechebene Montage (und sich mit Justierstab ), um eine größere Schärfentiefe-Schwerpunkt zu erreichen, jedoch wird diese Verringerung der räumlichen Auflösung.
    4. Wenn die Aussaatdichte ist zu dünn oder zu dicht, erhöhen oder verringern die Zahl der Zerstäuber Jets.

5. Durchführung des Experiments

  1. Führen Sie eine Kamereine Intensität Kalibrierung mit der Kappe auf dem Kamera Montage, um eine Referenz für die Intensität eingestellt. Sobald die Kalibrierung abgeschlossen, entfernen Sie die Kappe.
  2. Stellen Sie den Laser auf die optimierte Wiederholrate und Strom. Vor dem Einschalten des Lasers auf externen Modus, stellen Sie sicher, dass der Laser erhält eine kontinuierliche Trigger-Signal, das die eingestellte Frequenz entspricht. Schalten Sie den Laser auf.
  3. Zeichnen Sie eine Sequenz von Hintergrundbildern nur das Licht Blatt Beweidung der Oberfläche der Platte. Speichern Sie diese Bilder.
  4. Schalten Sie den Strom und damit die Strömung zu stabilisieren.
  5. Stellen Sie die Kamera kontinuierlich zu packen und zu überprüfen, ob die Kamera fokussiert Sammeln Teilchen Bilder. Schalten Sie den kontinuierlichen Modus greifen.
  6. Geben Sie die gewünschte Anzahl von Bildern und drücken Sie dann die Aufzeichnung.
  7. Sobald die Aufnahme beendet ist, schalten Sie Strom und Laser. Überprüfen Sie die Sequenz von Bildern und überprüfen Sie die Partikel-Verschiebung, Säen Dichte und Partikelgröße Bildschärfe. Speichern Sie die Aufnahme, wenn zufrieden oder sonst wiederholen Sie die Schritte 5.4-5.7. Wiederholen Sie die Schritte 5.4-5.7, mehr Runs zu sammeln.
  8. Erhöhen Sie die Belichtungszeit (die Menge an Zeit pro Bild, das die Kamera Sammeln von Bildern) der Kamera.
  9. Legen Sie ein Kalibrierungs-Target im Lichte Blechebene und sicherstellen, dass es in Kontakt mit der Platte. Illuminate das Ziel von hinten mit einer Lichtquelle (dh Taschenlampe). Mit der Kamera in kontinuierlichen grab-Modus, stellen das Ziel, so dass das aufgenommene Bild im Fokus ist und nicht verzerrt. Sicherstellen, daß der Kontakt zwischen der Platte und dem Ziel in dem Bild sichtbar - das ist entscheidend für die Bestimmung der Position der Platte in den Bildern.
  10. Record 10 Bilder des Kalibrierungsziels. Wiederholen Sie die Schritte 5,9-5,11 jedem Einschalten der Kamera Montage oder Fokus geändert wird.

6. Data Processing

  1. Die PIV-Software-Programm in dieser Demonstration diente LaVision DaVis 8.1. Durchschnittlich jeder Satz von Kalibrierungsziel Bildern. Verwenden Sie das resultierende Bild in der Kalibrierung rouTine, die wahren Dimensionen-Welt der aufgenommenen Bilder zu bestimmen.
  2. Bewerben jede Kalibrierung auf den entsprechenden Satz von Bildern.
  3. Bestimmen Sie den Speicherort der Platte in den kalibrierten Bildern. Diese Information ist notwendig für die Schaffung eines geometrischen Maske (beschrieben in 6.6).
  4. Durchschnittlich die Hintergrund-Bilder. Bestimmen Sie, ob Laser-Reflexionen von der Oberfläche erheblich dazu beitragen, die Geräuschkulisse durch den Vergleich der Intensität zählt der durchschnittlichen Hintergrundbild der Intensität zählt der Aussaat Teilchen. Helle Laserreflexionen der Nähe der Wand haben Intensitäten höher als Teilchenintensitäten. Dies wird sich negativ auf die PIV Korrelationen der Nähe der Wand und begrenzen die Lage des ersten zuverlässige Vektor am nächsten an der Wand. In diesem Beispiel hat Laserreflexionen nicht deutlich in den Hintergrund beitragen.
  5. Pre-Prozess die kalibrierten Bildern mit einem High-Pass-Filter (subtrahieren Schiebetüren Hintergrund-Filter), um große Schwankungen Intensität entfernengen in den Hintergrund, wie Laser-Reflexionen. Particle Signale geringer Intensität Schwankungen und wird durch den Filter passieren.
  6. Definieren Sie eine geometrische Maske - verwenden eine rechteckige Maske Vektor Berechnung deaktivieren wo die Platte in den Bildern befindet. Hinweis: Davis hat zwei Optionen für geometrische Masken: eine, die PIV ermöglicht Korrelationen innerhalb des bestimmten Anbaugebiets und eine, die PIV Korrelationen deaktiviert innerhalb des bestimmten Anbaugebiets. Eine Maske, die PIV-Algorithmus innerhalb des angegebenen Bereichs zu ermöglichen wurde in dieser Demonstration verwendet.
  7. In einem "Advanced Maske Einstellungen"-Menü, stellen Sie sicher, Maske angemessen ist (dh nur Pixel innerhalb der Maske) angewendet.
  8. Geben Sie den Vektor Berechnungsverfahren: in diesem Beispiel ein Multi-Pass-Verfahren mit abnehmender Fenstergröße wurde benutzt - 2 ersten Durchgängen mit 64 x 64 Pixel Verhör Fenster mit 50% Überlappung von 3 Durchgängen mit 32 x 32 Pixel Verhör Fenster mit 50% Überlappung gefolgt .
  9. Die Geschwindigkeitsvektorfelderin dieser Demonstration wurden nachbearbeitete mit fünf Unterprogramme, um die Qualität der Kreuzkorrelation Ergebnisse zu verbessern: a) Als Maske permanent; b) entfernen Vektoren mit einer Peak-Verhältnis (Q) <1,1, c) Tragen Sie eine Median-Filter, d) Entfernen Sie Gruppen mit <5 Vektoren e) Übernehmen Vektor füllen-up. Die Peak-Verhältnis (Q) definiert ist als Gleichung , Wobei P1 und P2 sind die höchsten und zweithöchsten Korrelationsspitzen sind und min der minimale Wert in der Korrelationsebene. Q ist ein Maß für die Beurteilung der Qualität eines Vektors. Q vergleicht die höchste Korrelationsspitze, die im besten Vektors führt, die dem gemeinsamen Korrelation Hintergrund der zweithöchsten Korrelationsspitze repräsentiert. Vektoren mit Q in der Nähe von 1 sind ein Hinweis, dass die höchste Korrelationsspitze eine falsche Höhepunkt. Als nächstes bestimmt das Medianfilter die mittlere (u Median v Median) Von einer Gruppe von Vektoren und der Abweichung von den benachbarten Vektoren (u rms, v rms). Der Median-Filter lehnt die Mitte (u, v), wenn es nicht passt die folgenden Kriterien: u Median - u rms ≤ u ≤ u + u rms Median und Median v - v rms ≤ v ≤ v Median + v rms. Darüber hinaus ist es möglich, Gruppen von unechten Vektoren zu erhalten, wenn eine große Überlappung im Geschwindigkeitsvektor Berechnung angegeben wurde. Daher ist es möglich, Gruppen von Vektoren mit weniger als eine bestimmte Anzahl von Vektoren zu entfernen. Sobald falsche Vektoren entfernt sind, füllen Vektor up verwendet werden, um füllen Sie die leeren Räume mit interpolierten Vektoren aus Nicht-Null benachbarten Vektoren bestimmt werden. Schließlich wird dem Auftragen der Maske dauerhaft löschen Sie alle Vektoren außerhalb der Maske.
  10. Bewerten Sie die Qualität der Ergebnisse: a) Sind die Ergebnissephysikalischen Sinn machen? (Dh langsameren Geschwindigkeiten nahe der Grenze, wodurch Geschwindigkeiten mit zunehmendem Abstand von der Wand, die Richtung der Vektoren ist die allgemeine Richtung des Stroms, etc.), b) Der resultierende Vektor Bereich weitgehend der ersten Wahl Vektoren zusammen (durch der PIV-Software). Normalerweise empfiehlt es sich, dass der Anteil der ersten Wahl Vektoren höher als 95% sein. Ein breiteres Spektrum an Nachbearbeitung Schritte wird in der Literatur, z. B. 1,2 beschrieben.

Representative Results

Ein Foto des Set-up wird in Abbildung 1 gezeigt. Raw Teilchen Bilder eines 32 x 32 Pixel Verhör Fenster in der Nähe der Wand aus zwei nacheinander aufgenommenen Bilder werden in Abbildung 2 dargestellt. Die Partikel in Abbildung 2a 2-3 Pixel nach rechts in Abbildung 2b verschoben und erfüllen die "ein Viertel der Regel", dass in-plane-und Out-of-Plane-Teilchen Verschiebungen sollte nicht mehr als ¼ der Vernehmung Fenstergröße fest . Darüber hinaus sollte die Teilchendichte pro Abfrage Fenster ungefähr 8-10 Teilchen, da PIV Korrelationsalgorithmen Gruppen von Partikeln zu verfolgen. Allerdings ist die Aussaatdichte in wandnahen PIV Untersuchungen häufig in der Größenordnung von 1-3 Teilchen. Daher sollten spezielle Algorithmen verwendet werden, um Studien mit niedrigeren Aussaatdichte, wie Particle Tracking Velocimetry (PTV) Algorithmen, die einzelnen Partikel zu verfolgen 1,2,4-6 anzugehen. Ein zeitlich gemittelte Korrelation Ansatz7,8 kann auch verwendet werden, um niedrige Aussaatdichte Probleme anzugehen, aber dies führt in der Regel zum Verlust der zeitlichen Auflösung. Darüber hinaus wird in der Nähe von Imaging-Wände durch helle Laser-Reflexionen, die sich negativ auf PIV Korrelationen und kann falsch Vektoren belastet. Diese hellen Reflexionen begrenzen auch die Position des ersten gültigen Geschwindigkeitsvektor in der Wand normale Richtung. Vorverarbeitung der rohen Teilchen Bilder notwendig ist, um die Auswirkungen von Rauschen von Quellen wie Laser Reflexionen zu reduzieren. In dieser Demonstration das erste gültige Vektor wurde 23 &mgr; m von der Wand entfernt.

Nach Rohspanplattensektor Bilder verarbeitet werden, mit Hilfe der PIV Korrelationsalgorithmen, sollte die Qualität und Aussagekraft der resultierenden Geschwindigkeitsvektorfelder beurteilt werden. Unechte Vektoren sind unvermeidlich in den rohen Vektorfelder aber es gibt ein paar Merkmale. Falsche Vektoren sind in der Nähe von Oberflächen häufig, an den Rändern des Lichts Blatt, und an den Rändern ofa fließen. Darüber hinaus unterscheiden sich die Größe und Richtung der ungültigen Vektoren deutlich von benachbarten Vektoren und in Zukunft nicht machen physischen Sinne. Bei dieser Grenzschichtströmung Beispielsweise sollten die gültige Geschwindigkeitsvektoren von links nach rechts zeigen, wie die Teilchen Verschiebungen aus Fig. 2 zeigen. Zusätzlich sollten die Geschwindigkeiten in der Nähe der Wand durch die Anti-Rutsch-Zustand 9 zu verringern. Die Momentangeschwindigkeit Felder in Fig. 3 gezeigt passen diese beiden physikalischen Kriterien. Eine weitere nützliche Metrik, um die Gültigkeit von PIV Ergebnisse zu bewerten, um den Vektor Wahl jedes Vektors in dem Geschwindigkeitsfeld zu bestimmen. Im Allgemeinen sollte der Vektor-Feldes bestehen von> = 95% erste Wahl Vektoren, dh diejenigen, die keine Nachbearbeitung erforderlich, so dass sich das robuste Nachbearbeitung Algorithmen verwendet werden können zu erkennen und zu ersetzen, ohne störende Vektoren erhebliche Artefakte 2 werden. Die momentanen Vektor Felder gezeigt

Die Bedeutung von High-Speed-oder Film-, PIV-Messungen wird deutlich aus einer Einsicht in eine zeitliche Folge von Flow Bildern. Momentangeschwindigkeit (V i) und Geschwindigkeitsschwankung (V ') Vektor Felder am Anfang, Mitte und Ende der Aufnahme-Sequenz sind in Abbildung 3 dargestellt. Verwendung eines Reynolds Zersetzung, V i die Summe der gemittelten Geschwindigkeitsfeld ( Gleichung ) Und V '10. Für dieses Experiment Gleichung wurde durch zeitlich durchschnittlich alle Bilder in der Reihenfolge bestimmt. Die momentanen Vektorfelder durchaus der Aufnahme-Sequenz sind sehr ähnlich und zeigen den Fluss der Bewegung von der linken auf die rechte. Diese Ergebnisse zeigen auch, dass der Fluss vorwiegend in horizontaler Richtung, da die horizontale Geschwindigkeitskomponente (u) ist viel größer als die vertikale Geschwindigkeitskomponente (v). Die Schwankung Vektor Felder zeigen auch, dass die horizontalen Geschwindigkeitsschwankungen (u ') (größer als die vertikale Geschwindigkeitsschwankungen V)'. Allerdings sind die Schwankungen zeigen auch, dass die Strömung verlangsamt sich seit u 'kehrt seine Richtung während der Aufnahme-Sequenz.

Die zeitlich gemittelte und momentanen U - Profile an verschiedenen Zeiten während der Aufnahme-Sequenz in Fig. 4 gezeigt und sicherstellen, dass die Strömung verlangsamt sich im Laufe der Zeit. Die u - Profile, die wirneu bestimmt durch Mittelung vier benachbarte Spalten Vektor zusammen, um die statistische Signifikanz der Ergebnisse in der Nähe der Wand zu verbessern. Das Verfahren wurde in früheren Arbeiten 6,8 verwendet. Die Fehlerbalken geben die doppelte Standardabweichung der vier benachbarten Vektor Spalten. Der größte Fehler bar tritt nahe der Oberfläche der Platte und bekräftigt die Schwierigkeiten bei der Verwendung von PIV Korrelationsalgorithmen für Bereiche niedriger Aussaatdichte. Mehrere Analyse-Algorithmen sind so konzipiert, niedrig Aussaatdichte wie PTV 5,6 und zeitlich gemittelte Korrelation Ansätze 7,8 anzugehen.

Abbildung 1
Abbildung 1. Tisch-Montage.

Abbildung 2
Abbildung 2. Particle Bilder in einem 32 x 32 Pixel Verhör in der Nähe der Wand in a) t = 0,2 ms und b) t = 0,4 ms. Die physikalischen Abmessungen des Verhörs Fenster sind 96 x 96 um 2.

Abbildung 3
Abbildung 3 Auf der linken Seite:. Momentane (V i), und auf der rechten Seite: Schwankung (V ') Geschwindigkeit Felder am Anfang, Mitte und Ende der Aufnahme-Sequenz. Vector Felder vollständig aus erster Wahl Vektoren zusammengesetzt. Ein kleinerer Teil der Vektor-Feldern zur Klarheit gezeigt. Die V i Felder zeigen Strömung von links nach rechts, während V 'umgekehrter Richtung. Bitte beachten Sie, dass nur jedes vierte Vektor Säule in der horizontalen Richtung zur Klarheit gezeigt. ZusätzlichDie Geschwindigkeit Skala zwischen dem V i und V 'Felder unterschiedlich ist, wie in der oberen linken Ecke jedes Bild angezeigt.

Fig. 4
Abbildung 4. Horizontale Geschwindigkeit (u) Profile zu verschiedenen Zeiten während der Strömung. Zeitlich gemittelten u - Profil mit Kreisen dargestellt. Fehler Bars auf t = 0,1 ms gezeigt Profil sind repräsentativ für Fehler Bars für alle anderen Zeiten. Der zeitliche Verlauf der U - Profile zeigt eine Abnahme der Strömung über die Zeit.

Discussion

Wie bei jeder optischen Durchflussmessung Technik, die Planung der Einrichtung von High-Speed-Particle Image Velocimetry (PIV) ist eine Bewertung von Zwängen und die Auswertung der besten Kompromisse für die Messaufgabe. Die Auswahl der Bildvergrößerung, Framerate, Laser-Blatt Eigenschaften und Analyse-Algorithmen hängen von Details der Strömung untersucht. Wenn es sein muss, muss explorativen Messungen durchgeführt, um Parameter-Einstellungen für High-Fidelity-Messungen identifizieren.

Dieser Artikel beschreibt die allgemeine Vorgehensweise und einige Beispiel für High-Speed-PIV an der Grenzschicht von einer Strömung entlang einer flachen Platte zu studieren. Eine Sequenz von 500 Bildern bei 5 kHz aufgezeichnet. Ein Langstrecken-Mikroskop wurde verwendet, um eine 2,4 x 1,8 mm 2-Feld-of-view an der Plattenoberfläche entfernt zu erreichen. Hochwertige Beleuchtung der Samen Öltröpfchen mit einem Strahl von einem gepulsten diodengepumpten Festkörper-Laser, der Licht in eine sh erweitert erreichtEET mit einem Strahlhomogenisierer. Strahlhomogenisierer enthält ein Mikrolinsen-Array aus kleinen zylindrischen Linsen und einer zusätzlichen, integrierten Teleskops. Das Mikrolinsen-Array erweitert den kreisförmigen Strahl in der vertikalen Richtung durch Aufteilen des einfallenden Strahls in Teilstrahlen. Dann sind die folgenden Teleskops überlagert die Beamlets, ein Licht mit einer gleichmäßigen Lichtverteilung im Licht Blatt Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung erstellen. Bilder wurden unter Verwendung eines PIV Kreuzkorrelationsalgorithmus. Es sollte angemerkt werden, dass eine homogenisierte Strahl hilfreich ist, vor allem bei der Arbeit in der Nähe Oberflächen, aber es ist nicht entscheidend für die hier beschriebene Anwendung werden.

Das Verfahren in diesem Verfahren skizziert ermöglicht non-intrusive hochauflösende High-Speed-Untersuchungen von Strömungen mit robusten Korrelationsalgorithmen. Die wichtigsten Vorteile dieser hochauflösenden High-Speed-Messtechnik sind hohe räumliche und zeitliche Auflösung und die Fähigkeit zu erkennen und zu verfolgendie Entwicklung von Strukturen innerhalb der Strömung. Unter Verwendung dieser Techniken Alharbi 6 und Jainski et al. 8 haben die Fähigkeit, zu visualisieren und zu verfolgen Vortexstrukturen innerhalb der Grenzschicht eines Verbrennungsmotors gezeigt. Diese wichtigen Funktionen ermöglichen Untersuchungen zur Struktur und Dynamik von hochtransienter fließt. Ferner kann PIV über dem zweidimensionalen, Zweikomponenten (2D-2C) Geschwindigkeitsfeldern (wie hier beschrieben) erweitert werden, um 3-Komponenten (3C) in einer Ebene (Stereo-PIV) und in einem Volumen zu lösen (tomographischen PIV , Scan-PIV, holographischen PIV). Zusätzlich kann PIV mit anderen Techniken, wie planare laserinduzierte Fluoreszenz (PLIF), filtriert Rayleigh-Streuung (FRS) und thermographische Leuchtstoffe gleichzeitige 2D-Messungen der Geschwindigkeit und der andere Skalare (Temperatur, Konzentration Spezies, Äquivalenzverhältnissen) 11 erreichen umgesetzt werden -14. Diese optischen, Laser-basierten Methoden können direkt angewendet werden, um Masse zu untersuchen undEnergieaustauschprozesse in vielen Anwendungen, wie der wandnahen fließt in einen Verbrennungsmotor.

Disclosures

Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Dieses Material basiert auf der Arbeit von der US National Science Foundation unter Grant No CBET-1032930 unterstützt werden und an der University of Michigan Quantitative Laser Diagnostics Laboratory geleistete Arbeit.

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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