High-speed Particle Image Velocimetry Nära Ytor

Engineering
 

Summary

Ett förfarande för att studera transienta flöden nära gränserna med hög upplösning, hög hastighet velocimetry partikel bild (PIV) beskrivs här. PIV är ett icke-påträngande mätteknik tillämplig på varje optiskt åtkomlig flöde genom att optimera flera parametrar begränsningar, till exempel bilden och inspelningen egenskaper, laser egenskaper ark och algoritmer analys.

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

Flerdimensionella och övergående flöden spelar en viktig roll inom många områden av vetenskap, teknik och naturvetenskap hälsa men är ofta inte väl förstådd. Den komplexa naturen av dessa flöden kan studeras med hjälp velocimetry partikel bild (PIV), en laserbaserad bildteknik för optiskt tillgängliga flöden. Även om många former av PIV finns att förlänga tekniken utöver den ursprungliga plana tvåkomponents hastighet mätmöjligheterna, består det grundläggande PIV-systemet av en ljuskälla (laser), en kamera, partiklar spårämne, och algoritmer analys. Den avbildning och inspelning parametrar, ljuskällan och algoritmer justeras för att optimera inspelningen för flödet av intresse och få giltiga hastighetsdata.

Gemensam PIV undersökningar mäter tvåkomponents hastigheter på ett plan i ett fåtal bildrutor per sekund. Dock har den senaste utvecklingen inom instrumentering underlättade hög bildhastighet (> 1 kHz) mätningar kan lösa övergångsent flöden med hög tidsupplösning. Därför hög bildhastighet mätningar har möjliggjort undersökningar om utvecklingen av strukturen och dynamiken av mycket transienta flöden. Dessa utredningar spelar en avgörande roll för att förstå den grundläggande fysiken i komplexa flöden.

En detaljerad beskrivning för att utföra hög upplösning, hög hastighet plan PIV att studera en transient flöde nära ytan av en plan platta presenteras här. Mer information om justering av parameter begränsningar, till exempel bild-och inspelning, laser arkegenskaper och bearbeta algoritmer för att anpassa PIV för någon ränteflödet ingår.

Introduction

Multi-dimensionella mätningar av hastigheter och möjligheten att spåra flödet fältet i tid ger viktig information i många områden av vetenskap, teknik och hälsovetenskap. Bland de mest använda teknikerna för flow imaging är partikel bild velocimetry (PIV). Initialt etablerat som en plan teknik som uppmätts ögonblicksbilder av de två i planet komponenter hastighet, har PIV varianter har utvecklats för att ge tre-komponent och volymmätning kapacitet. Alla PIV-system består av spårämne partiklar, en eller flera ljuskällor och en eller flera kameror. Fasta partiklar eller droppar används ofta som spårämne partiklar men bubblor inneboende i flödet kan också användas som spårämne partiklar. Kameran (er) därefter bild (er) spritt eller emitterat ljus utifrån spår-partiklarna efter det att de bestrålas av ljuskällan (s). Bland det breda spektrum av variationer 1,2 den vanligaste fångar två hastighetskomponenter i ett plan på en råttae av ett fåtal bildrutor per sekund. På senare tid har ny instrumentering aktiverat hög bildhastighet mätningar (> 1 kHz) som följer flödet vid turbulenta tidsskalor i kHz.

PIV bestämmer en hastighet fält genom att spåra den genomsnittliga rörelse partikel grupper från ett par bilder som är avgränsade med en känd tidsfördröjning. Varje bild delas upp i ett rutnät av regelbundet åtskilda frågesignaler fönster. Den vanligaste förhör fönstrets storlek är 32 x 32 pixlar. En algoritm beräknar korskorrelationsfunktionen för alla frågesignalema fönster, vilket resulterar i en förskjutningsvektor per förhör fönster och därför ger ett regelbundet rutnät av vektorer. Dela upp fältet förskjutningsvektorn av tidsfördröjning bestämmer sedan fältet hastighetsvektor.

Vid planering PIV mätningar är det viktigt att inse att normalt valet av experimentella inställningar är en kompromiss mellan motstridiga krav. Med andra ord, de erfarenpsykiska tillstånd måste noga planeras för att fånga aspekter av flödet som är av betydelse för studien till hands. Böckerna från Raffel et al. 1 och Adrian och Westerweel 2 ger utmärkt ingående diskussioner av dessa begränsningar. Här lyfter vi fram flera som är mest kritiska i detta sammanhang.

Valet av fält-of-view (FOV) kommer ställa in startpunkten för parametern val här. Antalet pixlar på kameran chip bestämmer sedan den rumsliga upplösningen och antalet vektorer som erhålls, under förutsättning att man väljer att använda storlekar förhörsmetoder fönster på 32 x 32 pixlar, ofta med en 50% överlappning under korskorreleringen förfarande. En såddtäthet av 8-10 partiklar per förhör fönster är i allmänhet önskvärt att hjälpa korskorrelationsfunktionen. Men det finns speciella algoritmer, såsom partikel tracking Velocimetry (PTV) och tidsmedelvärderad metoder korrelation, som kananvändas för att hantera situationer med låg såddtäthet (1-3 partiklar / förhör fönster) som är fallet med avbildning nära ytor. Observera att hastighetsgradienter inom varje förhör fönster bör vara liten för att undvika en snedvridning i den resulterande representativ vektor för det fönstret.

En etablerad regel-of-tumme är att partikeln förskjutningar mellan den första och andra ramen inte bör överstiga 8 pixlar (¼ av förhöret fönstrets storlek) för att minska antalet para ihop förluster (förlust av partikel bilder i förhör fönstret från första ramen till den andra ramen) för korrelationen. Som ett resultat, har tiden mellan de två på varandra följande laserpulser (dt) som skall justeras i enlighet därmed. Dock kommer reducerande dt lägre än summan av 8-pixel förskjutningar minska hastigheten dynamiska området eftersom den nedre änden upplösningsgräns är i storleksordningen av 0,1 pixel deplacement.

Liknar den 8-pixel förskjutning wnom avbildningsplanet, de högsta hastighet partiklama inte bör korsa mer än en fjärdedels ljuset plåttjocklek, igen för att minska antalet ihopparning förluster. Eftersom tidsfördröjningen mellan de två laserpulser används för att säkerställa bästa korrelationerna inom ljuset plåtplanet, är tjockleken på plåten en variabel i sammanhanget. Medan likformigheten av ljusintensiteten är inte så kritisk som det är för intensitet-baserade mätningar liksom plana laserinducerad fluorescens avbildning 3, en nära top-hat strålprofil hjälper PIV kvalitet, särskilt för högre upplösning.

I allmänhet kan vissa antaganden om naturen av flödet som studeras användas som utgångspunkt i valet av experimentella parametrar. Då kanske undersökande experiment behövas för att förfina inställningarna.

Här beskriver vi hur du ställer in en PIV experiment som möjliggör hög bildhastighet mätningar ränta avbildning av två velocity components med rumslig upplösning som är tillräcklig för att lösa strukturer gränsskiktet. Detta åstadkommes med användning av en hög-repetitionshastighet TEM 00 diod-pumpad fastkroppslaser, en långväga mikroskop, och en hög bildhastighet CMOS-kamera. Några detaljer om avbildning nära ytor ingår också.

Protocol

Ett. Lab Safety

  1. Recension laser säkerhet material innan du använder en laser och se till att utbildningen har uppfyllts.
  2. Skaffa rätt säkerhetsutrustning för arbete med lasrar. Varje individ bör bära ett par laser skyddsglasögon som blockerar laserns utsläpp våglängd (er). Installera en varningsskylt utanför labbet för att låta andra veta när lasern är igång. Hang LASERSÄKERHET draperier runt den optiska bänken för att isolera den från andra medarbetare i ett gemensamt labb utrymme.
  3. Ta bort alla klockor och smycken vid arbete med laser.
  4. Tänk strålgången när du installerar utrustningen: inrätta utrustning så att justeringar inte kräver nå över eller under balken.
  5. Läs lasern handbok för att avgöra hur man använder lasern säkert.
  6. Håll din ögonhöjd ut ur planet för laserstrålen!

2. Benchtop Set-up

  1. Bestäm förstoringen thatt kommer att krävas för tillämpningen och välj lämplig lins. Förstoringen (M) kan bestämmas genom att dividera längden av kameran chip med den motsvarande längden på fältet-of-view (FOV). I detta exempel är längden på kamerachip 17,6 mm och den motsvarande längden på FOV är 2,4 mm. Därför, M = 17,6 mm / 2,4 mm = 7,33. En lång sträcka mikroskop används här för att uppnå detta mindre FOV.
    1. Utför några grova beräkningar av förväntade hastigheter i nära väggen. Använd dessa beräkningar för att bestämma inspelning parametrar, såsom bildhastigheten och tidsfördröjning enligt praktiska riktlinjer för PIV 1,2. Bestäm den tid det tar för en partikel att färdas 8 bildpunkter. Detta kommer att bestämma tidsfördröjningen mellan varje laserpuls (dt). I tidsserier PIV kommer 1/dt fastställa den nödvändiga hastigheten kamera ram och måste vara mindre än den maximala bildfrekvensen tillåts av kameran. Små justeringar av dessa parametrar kansenare att bli nödvändigt att optimera flödet inspelningen att erhålla höga datakvalitet hastighet. Om den önskade bildfrekvensen överskrider den maximala hastigheten laser upprepning, kan två lasrar användas för att utföra PIV i ram-gränsöverskridande läget. För detta exempel, inte överskrida den bildhastighet (5 kHz) inte den maximala repetitionsfrekvensen hos lasern och därför endast en enda laser krävs för att utföra PIV i tidsserier läge.
  2. Nivellera lasern med avseende på bord
    1. Ställ laserhuvudet vid en ände av en nivå optisk tabell. Placera en balk dumpa direkt i strålgången vid den andra änden av bordet.
    2. Placera en optisk skena mellan laser huvudet och balken dump. Tejpa ett mål till en balk blockerare, fixa balken blockerare till en bärare och placera hållaren på skenan.
    3. Ställ lasern strömmen till en låg ström inställning - tillräckligt för att lasra men inte tillräckligt för att bränna ett pappersark. Sätt på lasern och flytta löpvagnen fram och tillbaka. Gör små justeringar av laser läget UNTil centrum av laserstrålen stannar i en fläck som bäraren rör sig fram och tillbaka. Fäst lasern till den optiska bordet.
    4. Mät avståndet mellan centrum av laserstrålen med hjälp av en kombination kvadrat. Stäng av lasern.
  3. Installera laser arket som bildar optik
    1. Ta tåg men placera balken blockerare med målet framför balken dump. Sätt på lasern och försiktigt markera var mitten av balken träffar målet. Placera arket som bildar optik, vilket är balken homogeniseringsanordning (BH) som också innehåller en arket som bildar teleskop i denna demonstration, i laserbanan att bilda lasern arket. Höjden på lasern arket måste vara större än den FOV. Justera positionen för BH till centrum höjden och bredden av laser arket om markeringen på målet och att hålla tillbaka reflektioner från att resa tillbaka in i lasern hålighet. Placera en öppning mellan laser huvudet och BH om det behövs för att undvika tillbaka reflektioner. Stäng av lasern. Den light ark i denna demonstration hade en höjd av 8 mm och en tjocklek av 0,5 mm, respektive, och en pulsenergi på 0,4 mJ / puls.
    2. Om utrymmet är begränsat på den optiska bordet, placera en 45 ° hög reflektionsförmåga spegel för att vända blad laserljus vid 90 °. Tape annat mål till en balk blockerare, fixa balken blockerare till en bärare och placera hållaren på skenan. Placera skenaggregat efter spegeln. Sätt på lasern. Gör små justeringar spegeln tills mitten av ljuset arket stannar på ett ställe på målet när den glider längs skenan.
    3. Ställ in hastigheten laser upprepning att matcha bildhastighet för mätningar (5 kHz för exempel diskuteras här) och ställa in lasern strömmen till den maximala inställningen. Placera en järnväg mellan BH och målet. Bifoga en andra stråle blockerare till transportören och placera enheten på skenan. Sätt på lasern. Skjut hållaren fram och tillbaka för att bestämma placeringen av brännpunkten från BH. Markera platsen av FOCal punkt i förhållande till BH. Om en spegel används, göra mätningar i förhållande till spegeln. Mät den ungefärliga höjden av laser arket vid fokalpunkten. Stäng av lasern.
  4. Montera och justera långväga mikroskop och kamera
    1. Markera de horisontella och vertikala mittlinjer långväga mikroskop (LDM) och öppningar kamera med centrering torg och kombinationen torget. Mät avståndet mellan bordet och de horisontella centrumlinjerna hos LDM och kamera.
    2. Fäst LDM och kameran till bärarna och använda alla distanser, såsom brickor och muttrar, så att de horisontella mittlinjer LDM och kameran är på samma höjd. Fäst LDM och kameran på skenan. Fäst LDM och kamera med lämpliga adaptrar. Justera höjden på aggregatet så att de horisontella mittlinjer är samma avstånd ovanför bordet som i mitten av ljuset arket.
    3. Fixa en översättning scen framför märket för fokus point av strålen. Rörelsen av översättningen etappen kommer att vara parallell med balken förökning. Fäst skenan med kameran enheten på översättningen stadium så att hela enheten är vinkelrät mot ljuset arket. Center kameran monteringen genom att rikta in de vertikala mittlinjer LDM och kameran med brännpunkten.
    4. Anslut kameran till datorn och high-speed controller (HSC). Anslut lasern till HSC. Håll locket på kameraenhet på och utför en intensitet kalibreringen på PIV programmet (LaVision DAVIS 7,2).
    5. I programmet ställer in kameran till kontinuerlig grab-läget och ta bort locket på kamerans montering. Placera en kombination kvadrat i brännpunkten. Flytta kameran och LDM längs rälsen tills en skarp bild av linjalen kommer i fokus. Fortsätt att flytta kameran och LDM längs skenan och sätta bilden i fokus med LDM fokusering stången tills kameran chip spänner önskat fält-of-view (2.4 x 1,8 mm 2 motsvarar en 800 x 600 pixel chip).
  5. Fixa en platta till ett fäste så att den är parallell med bordet och placera den i brännpunkten. Höj plattan så att det syns i bilderna på datorn. Stäng av kontinuerlig greppa och mössa kameran församling. Sätt på lasern och se laserljuset bladet gör kontakt längs plattans yta.

Tre. Flow Set-up

  1. I denna demonstration är PIV utförs genom att spela in bilder av spritt ljus från droppar silikonolja. Oljedropparna skapas med hjälp av en olja sprejflaska. Anslut följande punkter upp till en lufttillförsel: ett partikelfilter, oljefilter, tryckregulator, massflödesmätare och olja sprejflaska. Anslut utgången för finfördelaren till ett stålrör. Använd ett fäste och klämma för att fixera stålröret till den optiska bordet, höja röret ovanför bordet och rikta den mot plattan.
  2. Öppna ventilen lufttillförseln. Ställ baksidantrycket på tryckregulatorn till> 140 kPa för att skapa tillräckligt flöde genom systemet.
  3. Slå på strömmen och justera såddtäthet genom atomizer munstycken och ventiler bypass på sprejflaska.

4. Optimera Set-up

  1. Ange bildhastighet i programmet. Kontrollera att HSC sänder en triggersignal som matchar bildfrekvensen till lasern. På laserenergikällan, ställ in repetitionshastighet och ström (5 kHz och 15,5 A i detta exempel, respektive). Ställ lasern till externt läge. Lasern måste kontinuerligt få en trigger signal från HSC som matchar det inställda repetitionshastighet på lasern innan den går över till extern mod eller annars lasern överhettas.
  2. Ställ in kameran kontinuerligt fånga, slå på lasern, och slå på sprejflaska. Använd fokusera stången på LDM att se partikel bilder är i fokus. Kontrollera också att intensiteten av de partikel bilder är inte mättar kammeneran. Om så är fallet, vrid ner lasern ström - detta kommer att påverka brännpunkt plats! Upprepa steg 2.3.3 och 2.4.3 om laser ström ändras. Stäng högintressant läge när fokuserade partikel bilder uppnås.
  3. Spela in, granska och justera parametrar för att erhålla giltiga hastighetsdata
    1. Spela in flera hundra bilder av flödet. Efter inspelningen är klar, kontrollera de tagna bilderna för att se till att partiklar inte flytta mer än 8 pixlar, som såddtäthet är i storleksordningen 8-10 partiklar per 32 x 32 pixel förhör fönster, samt att kontrollera fokus i bilderna . Upprepa steg 4.3.1-4.3.4 tills de föregående kriterierna har uppfyllts.
    2. Om partiklarna skiftar mer än 8 pixlar, minska dt mellan de två PIV laserpulser för att uppnå maximalt 8 pixel skift. Om partiklarna skiftande väsentligt mindre än 8 pixlar, öka dt därefter. För enda laser PIV system är dt justeras genom att förändra bildhastighet och följaktligenlasern repetitionshastighet. För PIV användning av två lasrar, är dt tidsfördröjningen mellan en puls från den första laser och en puls från den andra lasern. Om justering dt inte lindra problemet, kan bildhastigheten och laser priser upprepning först justeras och därefter dt kan behöva finjusteras igen.
    3. Om det är svårt att spåra grupper av partiklar under en serie bilder, kan det bli för mycket utanför plan rörelse. Det finns flera sätt att hantera denna fråga: a) kompensera kamerans församling från brännpunkten så att kameran är imaging en tjockare ljus blad, b) öka arbetet avståndet mellan kameran och ljuset plåtplanet montering (och fokusera med fokus stav ) för att uppnå ett större djup i fokus, kommer dock detta att minska den rumsliga upplösningen.
    4. Om seedning densitet är för glesa eller alltför tät, öka eller minska antalet atomizer jets.

Fem. Köra experimentet

  1. Utför en cameren intensitet kalibrering med locket på kameran enheten att fastställa en referens för intensiteten. När kalibreringen är klar, ta bort locket.
  2. Ställ lasern till den optimerade repetitionsfrekvens och ström. Innan du vrider lasern till externt läge, se till att lasern får en kontinuerlig trigger signal som matchar den inställda frekvensen. Aktivera lasern.
  3. Spela in en sekvens av bakgrundsbilder för bara ljuset arket vidröra plattans yta. Spara dessa bilder.
  4. Slå på flödet och tillåta flödet stabiliseras.
  5. Ställ in kameran för att kontinuerligt ta och kontrollera att kameran samlar fokuserade partikel bilder. Stäng av kontinuerlig grab-läget.
  6. Mata in önskat antal bilder och tryck sedan på posten.
  7. När inspelningen är klar, stänger flödet och laser. Granska bildsekvensen och kontrollera partikel skift, sådd densitet och partikel bildens fokus. Spara inspelningen om nöjda annars upprepa steg 5,4-5,7. Upprepa steg 5.4-5.7 för att samla fler körningar.
  8. Öka exponeringstiden (den tid per bildruta att kameran samlar bilder) på kameran.
  9. Ställ en kalibrering mål i ljuset plåtplanet och se till att den får kontakt med plattan. Illuminate målet bakifrån med en ljuskälla (dvs. ficklampa). Med kameran i kontinuerlig grab-läge, justera målet så att bilden är i fokus och inte snedvrids. Se till kontaktpunkten mellan plattan och tavlan är synlig i bilden - detta är avgörande för att bestämma läget av plattan i bilderna.
  10. Spela 10 bilder av kalibreringsmålet. Upprepa steg från 5,9 till 5,11 varje gång kameran montering eller fokus ändras.

6. DATABEHANDLING

  1. PIV programvara som används i denna demonstration var LaVision DAVIS 8.1. Genomsnitt varje uppsättning bilder kalibreringsmål. Använd den resulterande bilden i kalibreringen rouTine för att fastställa den verkliga-världen dimensioner förvärvade bilderna.
  2. Applicera varje kalibrering med motsvarande uppsättning av bilder.
  3. Bestäm en plats av plattan i de kalibrerade bilder. Denna information är nödvändig för att skapa en geometrisk mask (beskrivet i 6.6).
  4. Genomsnitt bakgrundsbilderna. Bestäm om laser reflektioner från ytan avsevärt bidra till bakgrundsljud genom jämförelse med intensiteten räknar av den genomsnittliga bakgrundsbilden till intensiteten räknar av seedning partiklar. Ljusa laser reflektioner nära väggen kommer att ha intensiteter högre än partikel intensiteter. Detta kommer att negativt påverka PIV korrelationer nära väggen och begränsa placeringen av den första tillförlitliga vektorn närmast väggen. I detta exempel har laser reflektioner inte signifikant bidrar till bakgrunden.
  5. Pre-process kalibrerad flödesmätare bilder med hjälp av ett högpassfilter (subtrahera glidande bakgrund filter) för att avlägsna stora intensitet fluktuationertioner i bakgrunden, till exempel laser reflektioner. Partikel-signaler har små intensitet fluktuationer och kommer att passera genom filtret.
  6. Definiera en geometrisk mask - använd en rektangulär mask för att inaktivera vektor beräkning där plattan ligger i bilderna. Obs: Davis har två alternativ för geometriska masker: en som gör PIV korrelationer inom det specificerade området och en som inaktiverar PIV korrelationer inom det specificerade området. En mask för att aktivera PIV algoritmen inom det specificerade området användes i denna demonstration.
  7. I en "avancerad mask inställningar"-menyn, se mask appliceras på lämpligt (dvs. endast använda pixlar inuti masken).
  8. Ange proceduren vektorberäkningsanordning: i detta exempel en multi-pass förfarande med minskande fönstrets storlek användes - 2 inledande pass med 64 x 64 fönster pixel förhör med 50% överlappning följt av 3 omgångar med 32 x 32 fönster pixel förhör med 50% överlappning .
  9. Hastighetsvektorn fälti denna demonstration var efterbehandlade med fem subrutiner för att förbättra kvaliteten på korskorrelationen resultat: a) Gör mask permanent, b) Ta bort vektorer med en topp ratio (Q) <1,1, c) Applicera en median filter, d) Ta bort grupper med <5 vektorer e) Applicera vector fylla upp. Toppen förhållande (Q) definieras som Ekvation , Där P1 och P2 är de första och andra högsta korrelationstoppar, respektive, och är minsta värdet i korrelationen planet. Q är en statistiken för att bedöma kvaliteten på en vektor. Q jämför den högsta korrelationen topp, vilket resulterar i den bästa vektorn, till den gemensamma korrelation bakgrunden som representeras av den näst högsta korrelationstoppen. Vektorer med Q nära 1 är en indikation på att den högsta korrelationstoppen är en falsk topp. Därefter bestämmer medianfiltret medianen vektorn (u median, v median) Av en grupp av vektorer och avvikelsen av de närliggande vektorer (u rms, v rms). Medianfiltret avvisar mitten vektorn (u, v) om det inte passar följande kriterier: u median - u rms ≤ u ≤ u median + u rms och v median - v rms ≤ v ≤ v median + v rms. Dessutom är det möjligt att erhålla grupper av falska vektorer om en stor överlappning angavs i den hastighetsvektorn beräkningen. Därför är det möjligt att ta bort grupper av vektorer med mindre än ett specificerat antal vektorer. När falska vektorer avlägsnas, vektor fylla upp kan användas för att fylla upp de tomma utrymmen med interpolerade vektorer bestämda från icke-noll angränsande vektorer. Slutligen kommer applicera masken permanent radera alla vektorer utanför masken.
  10. Bedöma kvaliteten på resultaten: a) Har resultatengöra fysisk bemärkelse? (Dvs. långsammare hastigheter nära gränsen, ökade hastigheter med ökande avstånd från väggen, riktning vektorerna följer den allmänna riktningen av flödet, etc.), b) Den resulterande vektorn fältet består till stor del av förstahandssökande vektorer (anges med PIV bearbetningen mjukvaran). Normalt rekommenderas att andelen förstahandssökande vektorer vara högre än 95%. Ett större utbud av post processteg beskrivs i litteraturen, t ex 1,2.

Representative Results

En bild av uppställningen visas i figur 1. Raw partikel bilder av en 32 x 32 pixel förhör fönster nära väggen från två konsekutivt tagna bilder visas i figur 2. Partiklarna i figur 2a är förskjutna 2-3 pixlar åt höger i figur 2b och tillfredsställa "en fjärdedel regel" som säger att i planet och utanför planet partikel förskjutningar inte bör överskrida ¼ av förhöret fönstrets storlek . Dessutom bör partikeldensiteten per förhör fönster ligga ca 8-10 partiklar sedan PIV korrelationsalgoritmer spåra grupper av partiklar. Dock är såddtäthet i nära väggen PIV undersökningar ofta i storleksordningen 1-3 partiklar. Därför bör särskilda algoritmer kan användas för att behandla studier med lägre såddtäthet, såsom velocimetry partikelspårning (PTV) algoritmer som spårar enskilda partiklar 1,2,4-6. En tidsmedelvärderad korrelation strategi7,8 kan också användas för att behandla låg frågor såddtäthet men generellt resulterar i förlust av temporal upplösning. Dessutom är avbildning nära väggar påverkas av ljus laser reflektioner som negativt kan påverka PIV korrelationer och producera falska vektorer. Dessa ljusa reflektioner begränsar också positionen för den första giltiga hastighetsvektorn i väggen normalriktningen. Pre-bearbetning av råa partikel bilder är nödvändigt för att minska effekterna av bakgrundsljud från källor som laser reflektioner. I denna demonstration den första giltiga vektorn var beläget 23 ^ m från väggen.

Efter rå partikel bilder bearbetas med PIV korrelationsalgoritmer bör kvaliteten och giltigheten av de resulterande fälten hastighetsvektor bedömas. Falska vektorer är oundvikliga i de råa vektorfält men det finns några utmärkande egenskaper. Felaktiga vektorer är vanliga nära ytor, vid kanterna av ljuset arket, och på kanterna ofa flöde. Dessutom, storleken och riktningen av ogiltiga vektorer skiljer sig markant från intilliggande vektorer och kommer inte att göra fysisk bemärkelse. I fallet med detta gränsskikt flöde exempel bör de giltiga hastighetsvektorerna peka från vänster till höger som partikeln förskjutningar från figur 2 visar. Dessutom bör de hastigheterna minskar nära väggen på grund av no-slip villkor 9. De momentanhastigheten fält som visas i figur 3 passar båda dessa fysiska kriterier. En annan användbar statistik för att bedöma giltigheten av PIV resultat är att bestämma vektorn valet av varje vektor i hastighetsvektorn fältet. I allmänhet bör vektorfält bestå av> = 95% förstahandssökande vektorer, dvs de som krävs ingen efterbearbetning, så att robusta efterbearbetning algoritmer kan användas för att detektera och ersätta falska vektorer utan att producera ansenliga artefakter 2. De momentana vektorfält som visas i

Betydelsen av hög hastighet, eller filmverk, PIV mätningar blir uppenbart genom en inspektion av en tidsföljd av flödes bilder. Momentanhastigheten (V i) och hastighet fluktuationer (V ') vektorfält i början, mitten och slutet av inspelningen sekvensen visas i figur 3. Med hjälp av en Reynolds nedbrytning är Vj summan av den genomsnittliga hastighetsfältet ( Ekvation ) Och V '10. För detta experiment Ekvation bestämdes genom temporärt genomsnitt alla bilder i sekvensen. Den momentana vektorfält genomut inspelningen sekvensen är mycket lika och visar flödet rör sig från vänster till höger. Dessa resultat indikerar också att flödet är övervägande i horisontell riktning, eftersom den horisontella hastighetskomponent (u) är mycket större än den vertikala hastigheten komponent (v). Fluktuationen vektorfält indikerar också att de horisontella hastighet fluktuationer (u ') är större än den vertikala hastigheten fluktuationer (V'). Men svängningarna visar också att flödet är långsammare eftersom u 'reverserar dess riktning genom hela inspelningen sekvensen.

Den tidsmedelvärderad och momentana u - profiler vid flera olika tidpunkter under inspelningen sekvensen visas i Figur 4 och kontrollera att flödet är långsammare med tiden. Den U - profiler vire bestämmas som genomsnittet av fyra intilliggande vektor kolumner tillsammans för att förbättra den statistiska signifikansen av resultaten nära väggen. Förfarandet användes i tidigare arbete 6,8. Felstaplarna anger dubbla standardavvikelsen av de fyra angränsande vektor kolumner. Den största felstapel sker nära ytan av plattan och bekräftar svårigheten att utnyttja PIV korrelationsalgoritmer för områden med låg såddtäthet. Flera analysalgoritmer är utformade för att hantera låg såddtäthet såsom PTV 5,6 och tidsmedelvärderad metoder korrelation 7,8.

Figur 1
Figur 1. Benchtop montering.

Figur 2
Figur 2. Partikel bilder i en 32 x 32 pixel förhör nära väggen vid a) t = 0,2 msek och b), t = 0,4 msek. De fysiska dimensionerna hos det undersökande fönstret är 96 x 96 ^ m 2.

Figur 3
Figur 3 Till vänster:. Momentant (V i), och på den högra: fluktuationer (V ') hastighet fält i början, mitten och slutet av inspelningen sekvensen. Vektorfält är helt består av förstahandssökande vektorer. En mindre delmängd av vektorfält visas för tydlighets skull. V I fält indikerar flöde rör sig från vänster till höger medan V "omvänd riktning. Observera att endast var fjärde vektor kolumnen i den horisontella riktningen visas för tydlighets skull. Dessutom, Är hastigheten skala mellan V I och V 'fält annorlunda som anges i det övre vänstra hörnet på varje bild.

Figur 4
Figur 4. Horisontell hastighet (u) profiler på olika tidpunkter under hela flödet. Tidsmedelvärderad u - profil visas med cirklar. Felstaplar som visas på t = 0,1 ms profil är representativa för felstaplar för alla andra tider. Tiden historia u - profiler visar en minskning i flödet över tiden.

Discussion

Som med alla optiska flödesmätning teknik, planering av installation av höghastighetståg partikel bild velocimetry (PIV) kräver en bedömning av begränsningar och utvärdering av bästa kompromisser för mätning uppgiften. Valet av bildförstoring, bildhastighet, laser egenskaper plåt, och algoritmer analys beror på detaljerna i flödet enligt studien. Om det behövs, måste förberedande mätningar genomföras för att identifiera parameterinställningar för hifi mätningar.

I den här artikeln beskrivs det allmänna förfarandet och några testresultatets för höghastighetståg PIV att studera gränsskiktet av ett flöde längs en plan platta. En sekvens av 500 bilder registrerades vid 5 kHz. En långväga mikroskop användes för att åstadkomma en 2,4 x 1,8 mm 2 fält-of-view belägen vid plattans yta. Hög kvalitet belysning av dropparna fröolja uppnåddes med en stråle från en pulsad diod-pumpad fastkroppslaser som utökades till en lätt sheet med användning av en stråle homogenisator. Balken homogeniseraren innehåller en mikro-linssystem består av små cylindriska linser och en extra, integrerat teleskop. Den mikro-linssystem expanderar cirkulär stråle i den vertikala riktningen genom att dela upp den inkommande strålen i beamlets. Därefter följande teleskopet överlagrar de beamlets för att skapa en lätt ark med ett jämnt ljus intensitetsfördelning i ljuset plåtplanet normal till balken förökning. Bilderna har bearbetats med en PIV korskorrelation algoritm. Det bör noteras att en homogeniserad balk är användbar, speciellt vid hantering nära ytor, men det är inte avgörande för det användningsområde som anges här.

Den metod som beskrivs i denna procedur möjliggör icke-störande med hög upplösning, hög hastighet undersökningar av flöden med hjälp av robusta korrelationsalgoritmer. De viktigaste fördelarna med denna högupplösta, hög hastighet mätteknik är hög spatial och temporal upplösning och förmågan att identifiera och spårautvecklingen av strukturer i flödet. Med hjälp av dessa tekniker, Alharbi 6 och Jainski et al. 8 har visat förmåga att visualisera och spåra vortex strukturer inom gränsskiktet av en förbränningsmotor. Dessa viktiga funktioner möjliggöra utredningar om struktur och dynamik av mycket transienta flöden. Vidare kan PIV utökas bortom tvådimensionella, två-komponent (2D-2C) hastighet fält (som beskrivs här) för att lösa 3-komponenterna (3C) i ett plan (stereo-PIV) och i en volym (tomografisk PIV , skanning PIV, holografisk PIV). Dessutom kan PIV implementeras med andra tekniker såsom plana laser-inducerad fluorescens (PLIF), filtrerades Rayleighspridning (FRS), och termografiska fosfor för att uppnå samtidiga 2D mätningar av hastighet och andra skalärer (temperatur, art koncentration, ekvivalensförhållanden) 11 -14. Dessa optiska, laser-baserade metoder kan tillämpas direkt för att undersöka massa ochEnergy Exchange processer i många tillämpningar, till exempel nära väggen strömmar i en förbränningsmotor.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Detta material är baserat på arbete stöds av US National Science Foundation i Grant No CBET-1032930 och arbete som utförs vid University of Michigans Kvantitativ 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