Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

Engineering
 

Summary

הליך ללימוד תזרים חולף ליד הגבולות באמצעות velocimetry ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה חלקיק תמונה (PIV) מתואר כאן. PIV הוא טכניקת מדידה לא פולשנית ישימה לכל זרימה אופטית נגישה על ידי אופטימיזציה של כמה אילוצי פרמטרים כגון מאפייני התמונה והקלטה, את מאפייני גיליון לייזר, וניתוח אלגוריתמים.

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

תזרים רב ממדי וחולף לשחק תפקיד מפתח בתחומים רבים של מדע, הנדסה, ומדעי בריאות אך לעתים קרובות אינו מובן היטב. האופי המורכב של זרמים אלה ניתן ללמוד באמצעות velocimetry חלקיק תמונה (PIV), טכניקת הדמיה מבוססת לייזר לתזרימי אופטי נגישים. למרות צורות רבות של PIV שקיימות להרחיב את השיטה מעבר למישורים מקורי יכולות מדידת מהירות של שני רכיבים, מערכת PIV הבסיסית מורכבת ממקור אור (לייזר), מצלמה, חלקיקים נותבים, וניתוח אלגוריתמים. ההדמיה והקלטת הפרמטרים, מקור האור, ואת האלגוריתמים מותאמים כדי לייעל את ההקלטה לזרימה של עניין ולקבל נתונים מהירות חוקיות.

מהירויות שני מרכיבי מדד חקירות PIV נפוץ במטוס בכמה מסגרות לשנייה. שיעור גבוה מסגרת (> קילוהרץ 1) מדידות עם זאת, ההתפתחויות האחרונות במכשור שהקלו מסוגלות לפתור transiאף אוזן גרון זורם עם רזולוציה גבוהה זמנית. לכן, יש לי מדידות שיעור גבוהה מסגרת חקירות מופעלים באבולוציה של המבנה והדינמיקה של זרמים חולפים מאוד. חקירות אלה לשחק תפקיד קריטי בהבנת הפיזיקה הבסיסית של תזרים מורכב.

תיאור מפורט לביצוע ברזולוציה גבוהה, מישורי במהירות גבוהה PIV ללמוד זרימה חולפת סמוך לפני השטח של צלחת שטוחה מוצג כאן. פרטים עבור התאמת אילוצי הפרמטרים כגון תמונה ומאפייני הקלטה, את מאפייני גיליון לייזר, ועיבוד אלגוריתמים להסתגל PIV לכל זרימה של עניין כלולים.

Introduction

מדידות רב ממדיות של מהירויות והיכולת לעקוב אחר שדה הזרימה בזמן לספק מידע קריטי בתחומים רבים של מדע, הנדסה, ומדעי בריאות. בין הטכניקות הנפוצות ביותר להדמית זרימה הוא velocimetry תמונת החלקיקים (PIV). בתחילה הוקם כטכניקה מישוריים שתמונות מדודות של שניים במטוס רכיבי מהירות, גרסאות PIV פותחו כדי לספק יכולות מדידה של שלושה מרכיבים ונפח. כל המערכות מורכבות מחלקיקי PIV נותבים, אחד או יותר מקורות אור, ואחד או יותר מצלמות. חלקיקים מוצקים או טיפות משמשים בדרך כלל כחלקיקים נותב אבל בועות הגלומות בתזרים עשויות לשמש גם כחלקיקים נותבים. המצלמה (ים) ואז תמונה (ים) או מפוזרת נפלט אור מהחלקיקים נותב אחרי שהם מוקרנים על ידי מקור האור (ים). בין מגוון הרחב של וריאציות 1,2 אחד הנפוצה ביותר לוכד שני רכיבי מהירות במטוס בחולדהדואר של כמה פריימים לשנייה. לאחרונה, מכשור חדש אפשר מדידות שיעור גבוהה מסגרת (> קילוהרץ 1) כי פעל זרימה בסקלות זמן סוערת בטווח קילוהרץ.

PIV קובע תחום מהירות על ידי מעקב אחר התנועה הממוצעת של קבוצות חלקיקים מזוג התמונות כי הם מופרדים על ידי עיכוב זמן ידוע. כל תמונה מחולקת לרשת של Windows חקירה במרווחים קבוע. גודל חלון החקירה הנפוץ ביותר הוא 32 פיקסלים 32. אלגוריתם מחשב את הפונקציה חוצה קשר לחקירה את כל החלונות, וכתוצאה מעקירת וקטור אחד לכל חלון חקירה ולכן מייצר רשת רגילה של וקטורים. חלוקת שדה וקטור ההעתקה על ידי עיכוב זמן לאחר מכן קובעת את שדה וקטור המהירות.

בעת תכנון מדידות PIV זה חשוב להבין, כי בדרך כלל הבחירה של הגדרות ניסיוניות היא פשרה בין דרישות סותרות. במילים אחרות, ההתנסותתנאים נפשיים צריכים להיות מתוכננים בקפידה כדי ללכוד את ההיבטים של התזרים שהם בעלי חשיבות ללימוד בהישג יד. את הספרים של ראפל et al. 1 ואדריאן וסטרוויל 2 לספק דיונים מעמיקים מצוינים של האילוצים הללו. כאן אנו מדגישים כמה שהם קריטיים ביותר בהקשר הנוכחי.

הבחירה של השדה של הנוף (FOV) תקבע את נקודת הפתיחה לבחירת הפרמטר כאן. מספר הפיקסלים בשבב המצלמה ולאחר מכן קובע את הרזולוציה מרחבית ומספר הווקטורים שמתקבלים, בהנחה שמישהו בוחר להשתמש גדלי חלון חקירה של 32 פיקסלים 32, לעתים קרובות עם חפיפה 50% במהלך ההליך חוצה קשר. צפיפות זריעה של 8-10 חלקיקים לכל חלון חקירה בדרך כלל רצויה לסייע לתפקוד חוצה קשר. עם זאת, יש אלגוריתמים מיוחדים, כגון velocimetry מעקב אחר חלקיקים (PTV) וזמן ממוצע על מתאם גישות, שעשוילהשתמש בו כדי לטפל במצבים עם צפיפות זריעה נמוכה (1-3 חלקיקים / חלון חקירה) כפי שקורה עם הדמיה ליד משטחים. שים לב שהמהירות הדרגתיים בתוך כל חלון חקירה צריך להיות קטן, כדי למנוע הטיה בווקטור המתקבל הנציג לחלון זה.

כלל של אגודל הוקם הוא שחלקיקי ההתקות בין הפריים הראשון והשני לא יעלו על 8 פיקסלים (¼ של גודל חלון החקירות) כדי לצמצם את המספר של זיווג הפסדים (הפסד של תמונות חלקיקים בתוך החלון מהחקירה הראשונה מסגרת למסגרת השנייה) למתאם. כתוצאה מכך, יש לו את הזמן בין שתי פעימות לייזר רצופות (DT) להיות בהתאם. עם זאת, הפחתת DT מתחת למקבילה של התקות 8-pixel תקטין את הטווח הדינמי המהירות בגלל מגבלת הרזולוציה הקצה התחתונה היא בסדר גודל של עקירת פיקסל 0.1.

בדומה לעקירת W-8 פיקסלithin מטוס ההדמיה, חלקיקי המהירות הגבוהים ביותר לא צריכים לעבור יותר מ ¼ מעובי גיליון האור, שוב כדי לצמצם את מספר הפסדי זיווג. מאז השהות בין שתי פעימות לייזר משמשת כדי להבטיח את המתאמים הטובים ביותר בתוך מטוס גיליון האור, העובי של הגיליון הוא משתנה בהקשר זה. תוך האחידות של עוצמת האור היא לא קריטית כמו שזה הוא למדידות המבוססות על עוצמת כגון מישוריים לייזר מושרה הקרינה 3 הדמיה, פרופיל קרן העליון כובע ליד מסייע איכות PIV, במיוחד עבור הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר.

באופן כללי, כמה הנחות על אופי הזרימה במחקר יכולות לשמש כנקודת התחלה בבחירת פרמטרים ניסיוניים. לאחר מכן, יש צורך בניסויי הגישוש כדי לחדד את ההגדרות.

כאן אנו מתארים כיצד להגדיר את ניסוי PIV המאפשר מדידות הדמיה קצב פריימים גבוהות של שניים compone מהירותNTS עם רזולוציה מרחבית שהוא נאות לפתרון מבני שכבת גבול. המטרה זו מושגת באמצעות שימוש בשיעור גבוהה חזרות TEM 00-דיודה שאוב לייזר מצב מוצק, מיקרוסקופ למרחקים ארוכים, ומצלמת CMOS קצב פריימים גבוהה. כמה פרטים על הדמיה ליד המשטחים כלולים גם.

Protocol

1. מעבדת בטיחות

  1. חומר סקירת לייזר בטיחות לפני הפעלת לייזר ולהבטיח כי דרישות הכשרה מולאו.
  2. השג את ציוד הבטיחות המתאים לעבודה עם לייזרים. כל אדם צריך ללבוש זוג משקפי בטיחות לייזר, כי יחסמו את אורך הגל של לייזר הפליטה (ים). התקנת תמרור אזהרה מחוץ למעבדה כדי לאפשר לאחרים לדעת כאשר לייזר פועל. וילונות בטיחות לייזר להסתובב הספסל האופטי לבודד אותו מצד עמיתים לעבודה בחלל מעבדה משותף.
  3. הסר את כל השעונים ותכשיטים בעבודה עם לייזרים.
  4. קחו למשל את נתיב הקרן בעת ​​הגדרת ציוד: להגדיר את הציוד, כך שיהיה ביצוע התאמות אינם דורש להגיע מעל או מתחת לקורה.
  5. קראו את המדריך לליזר כדי לקבוע כיצד להפעיל את לייזר בצורה בטוחה.
  6. שמור גובה העיניים שלך מתוך המטוס של קרן לייזר!

2. Benchtop Set-up

  1. לקבוע את t ההגדלההכובע יידרש ליישום ולבחור את העדשה המתאימה. הגדלה (ז) עשויה להיקבע על ידי חלוקת האורך של שבב המצלמה עם האורך המקביל של השדה של הנוף (FOV). בדוגמה זו, לאורכו של שבב המצלמה הוא 17.6 מ"מ והאורך המקביל FOV הוא 2.4 מ"מ. לכן, M = 17.6 מ"מ / 2.4 מ"מ = 7.33. מיקרוסקופ למרחקים ארוכים משמש כאן כדי להשיג FOV הקטן הזה.
    1. לבצע כמה חישובים גסים של מהירויות צפויות באזור הקרוב לקיר. השתמש באומדנים אלו כדי לקבוע את הפרמטרים ההקלטה, כגון מסגרת דולר ועיכוב הזמן בהתאם להנחיות מעשיות לPIV 1,2. לקבוע את הזמן שייקח לחלקיק לנסוע 8 פיקסלים. זה יקבע את זמן השהיה בין כל דופק לייזר (DT). בזמן סדרת PIV, 1/dt יקבע את מסגרת דולר המצלמה הכרחית וחייבת להיות קטנה יותר ממסגרת השיעור המרבית המוותר על ידי המצלמה. התאמות קטנות לפרמטרים אלו יכוליםלאחר מכן יהיה צורך לייעל את הקלטת הזרימה לקבל נתונים במהירות גבוהות באיכות. אם במסגרת השיעור הנדרשת עולה על שיעור החזרה לייזר המרבי, שני לייזרים ניתן להשתמש כדי לבצע PIV במצב-פישוק מסגרת. בדוגמה זו, במסגרת שיעור (5 קילוהרץ) אינו עולה על שיעור החזרה מקסימלית של לייזר ובכך רק לייזר אחת נדרש לבצע PIV במצב בזמן סדרה.
  2. רמת לייזר ביחס לשולחן
    1. הגדר את ראש לייזר בקצה אחד של שולחן אופטי ברמה. הנח מזבלה קרן ישירות בנתיב הקרן בקצה השני של השולחן.
    2. מניחים מסילה אופטית בין ראש לייזר ומזבלת הקורה. קלטת יעד לחוסם אלומה, לתקן את חוסם הקרן למנשא ומניח את המנשא על המעקה.
    3. הגדר את לייזר הנוכחי להגדרה נוכחית נמוכה - מספיק כדי lase אבל לא מספיק כדי לשרוף את דף נייר. הפעל את לייזר והחלק את המנשא קדימה ואחורה. לבצע התאמות קטנות לUNT עמדת לייזרil מרכז קרן לייזר נשאר במקום אחד כנשא נע קדימה ואחורה. תקן את לייזר לשולחן האופטי.
    4. מדוד את הגובה של מרכז קרן לייזר באמצעות שילוב מרובע. כבה את לייזר.
  3. התקן אופטיקה יוצרי גיליונות לייזר
    1. הסר את הרכבת אבל למקם את חוסם האלומה עם היעד מול המזבלה הקורה. הפעל את לייזר ולסמן בזהירות שבו המרכז של הקרן פוגע במטרה. הנח את הגיליון להרכיב אופטיקה, המהווה את homogenizer הקורה (BH) שכולל גם את גיליון להרכיב טלסקופ בהפגנה זו, בנתיב לייזר כדי ליצור את הגיליון בלייזר. הגובה של גיליון לייזר חייב להיות גדול יותר מFOV. להתאים את המיקום של BH למרכז הגובה והרוחב של גיליון לייזר על הסימן על היעד ולשמור על גב השתקפויות מנסיעה חזרה לתוך חלל לייזר. הנח צמצם בין ראש לייזר וBH במידת צורך, כדי למנוע חזרה השתקפויות. כבה את לייזר. Lגיליון ight בהפגנה זו היה גובה של 8 מ"מ ועובי של 0.5 מ"מ, בהתאמה, ואנרגית דופק של 0.4 mJ / דופק.
    2. אם יש מקום מוגבל על השולחן האופטי, להציב מראה ° גבוה רפלקטיביות 45 להפוך את גיליון אור לייזר ב -90 מעלות. קלטת נוספת יעד לחוסם אלומה, לתקן את חוסם הקרן למנשא ומניח את המנשא על המעקה. הנח את מכלול הרכבת אחרי המראה. הפעל את לייזר. לבצע התאמות קטנות למראה עד מרכז גיליון האור נשאר במקום אחד ביעד כפי שהוא מחליק לאורך המעקה.
    3. לקבוע את השער חזרה לייזר כדי להתאים את מסגרת הדולר למדידות (5 קילוהרץ לדוגמה שנדונה כאן) ולהגדיר את לייזר הנוכחי להגדרה מקסימלית. הנח רכבת בין BH והיעד. צרף חוסם קרן שנייה למוביל והנח את המכלול על המעקה. הפעל את לייזר. חלק את המנשא קדימה ואחורה על מנת לקבוע את מיקומו של המוקד מBH. לסמן את המיקום של focאל נקודה ביחס לBH. אם נעשה שימוש במראה, להפוך את המדידה ביחס למראה. מדוד את הגובה המשוער של גיליון לייזר במוקד. כבה את לייזר.
  4. הר ולהתאים מיקרוסקופ למרחקים ארוכים ומצלמה
    1. סמן את centerlines האופקי והאנכי של מיקרוסקופ למרחקים ארוכים (LDM) ופתחי מצלמה באמצעות כיכר שבמרכז כיכר ושילוב. מדוד את המרחק בין השולחן ואת centerlines האופקי של LDM והמצלמה.
    2. תקן LDM והמצלמה לנישאים ולהשתמש בכל מפרידי, כגון מנקי או אגוזים, כך שcenterlines האופקי של LDM והמצלמה נמצא באותו הגובה. תקן LDM ומצלמה על המעקה. צרף LDM והמצלמה באמצעות המתאמים המתאימים. התאם את גובה ההרכבה, כך שcenterlines האופקי הוא באותו מרחק שמעל לטבלה כמרכז של גיליון האור.
    3. תקן את תרגום במה מול הסימן לפו המוקדint של הקורה. התנועה של שלב התרגום תהיה במקביל להתפשטות הקורה. תקן למעקה עם ההרכבה המצלמה לשלב התרגום, כך שכל ההרכבה היא בניצב לגיליון האור. מרכז ההרכבה המצלמה על ידי יישור centerlines האנכי של LDM והמצלמה עם המוקד.
    4. לחבר את המצלמה למחשב ואת הבקר במהירות גבוהה (HSC). חברו את לייזר לHSC. שמור את הכובע של ההרכבה המצלמה על ולבצע כיול בעוצמה בתוכנה PIV (LaVision דייויס 7.2).
    5. בתוכנה להגדיר את המצלמה למצב לתפוס ברציפות ולהסיר את הכובע של ההרכבה המצלמה. הנח כיכר שילוב במוקד. העבר את המצלמה וLDM לאורך המעקה עד שתמונה חדה של השליט מגיעה אל מוקד. ממשיך להזיז את המצלמה וLDM לאורך המעקה ולהביא את התמונה אל מוקד באמצעות מוט ההתמקדות של LDM עד שבב המצלמה משתרע על פני השטח הרצוי של הנוף (2.4 x 1.8 מ"מ 2 מקביל ל800 600 פיקסל שבב X).
  5. תקן את צלחת להר כך שיהיו מקביל לשולחן ומניח אותו בנקודת המוקד. הרם את הצלחת כך שזה נראה בתמונות במחשב. כבה את המצלמה תופס את ההרכבה וכובע רציפה. הפעל את לייזר ולוודא את גיליון אור לייזר הופך את קשר לאורך פני השטח של הצלחת.

3. זרימת Set-up

  1. בהפגנה זו, PIV מבוצע על ידי הקלטת תמונות של אור מפוזר מטיפי שמן סיליקון. את טיפות שמן נוצרות באמצעות מרסס שמן. לחבר את הפריטים הבאים עד לאספקת אוויר: מסנן חלקיקים, מסנן שמן, ווסת לחץ, מד זרימה המוני, ומרסס שמן. לחבר את הפלט של מרסס לצינור פלדה. השתמש בהר ולצבוט כדי לתקן את צינור הפלדה לשולחן האופטי, להעלות את הצינור מעל לשולחן ולכוון אותו לכיוון הצלחת.
  2. פתח את שסתום אספקת האוויר. הגדר את הגבלחץ על וסת לחץ ל> 140 kPa ליצור מספיק זרימה דרך המערכת.
  3. הפעל את הזרימה ולהתאים את צפיפות הזריעה באמצעות מטוסי ריסוס ושסתום העוקפים במרסס.

4. אופטימיזציה של Set-up

  1. הזן את שיעור הפריים בתוכנה. בדקו שHSC שולח אות הדק שמתאימה לקצב פריימים לליזר. על אספקת חשמל לייזר, לקבוע את שער חזרות ובהווה (5 קילוהרץ ו15.5 בדוגמה זו, בהתאמה). הגדר את לייזר למצב חיצוני. לייזר חייב ברציפות יקבל אות הדק מHSC שמתאים לקבוצת שיעור החזרה בליזר לפני מעבר מעל למצב חיצוני או אחר לייזר יהיה להתחמם יתר על המידה.
  2. להגדיר את המצלמה כדי לתפוס ברציפות, הדלק את לייזר, והפעל את מרסס. השתמש במוט התמקדות LDM לוודא תמונות חלקיקים נמצאות בפוקוס. כמו כן יש לוודא בעצמה של תמונות החלקיקים לא להרוות את פקהעידן. אם כך, להנמיך את לייזר נוכחי - זה ישפיע על מיקום המוקד! חזור על שלבי 2.3.3 2.4.3 ואם נוכחי לייזר משתנה. בטל מצב תופס כאשר תמונות חלקיקים ממוקדים מושגות.
  3. שיא, חוות דעת, ולהתאים את פרמטרים לקבלת נתוני מהירות חוקיות
    1. להקליט כמה מאה תמונות של הזרימה. לאחר ההקלטה נגמרה, לבדוק את התמונות המוקלטות כדי להפוך חלקיקים בטוחים לא לעבור יותר מ -8 פיקסלים, שצפיפות הזריעה היא בסדר גודל של 8-10 חלקיקים לכל חלון חקירת 32 פיקסל 32 x, וכדי לאמת את הפוקוס של התמונות . חזור על שלבי 4.3.1-4.3.4 עד אשר עמדו בקריטריונים שקדמו.
    2. אם החלקיקים הם נודדים יותר מ 8 פיקסלים, להקטין את DT בין שתי פעימות לייזר PIV כדי להשיג מקסימום של 8 משמרות פיקסל. אם החלקיקים הם נודדים באופן משמעותי פחות מ 8 פיקסלים, להגדיל את DT בהתאם. עבור מערכות PIV לייזר יחידה, DT מותאם על ידי שינוי קצב הפריימים וכתוצאה מכךשיעור החזרה לייזר. לPIV באמצעות שני לייזרים, DT הוא השהות בין דופק מהליזר הראשון ודופק מהליזר השני. אם DT הכוונון לא להקל על הבעיה, במסגרת השיעור ושיעורי החזרת לייזר יכולים להיות מותאמים ראשון ולאחר מכן עשוי DT צריך להיות מכויל שוב.
    3. אם קשה לעקוב אחר קבוצות של חלקיקים לאורך סדרה של תמונות, ייתכן שיש יותר מדי תנועה מחוץ למטוס. ישנן מספר דרכים לטפל בבעיה זו: א) לקזז את מכלול המצלמה מהמוקד, כך שהמצלמה היא הדמיה גיליון אור עבה יותר, ב) להגדיל את המרחק בין עבד ההרכבה מטוס גיליון אור (המצלמה ולהתמקד באמצעות מוט התמקדות ) כדי להשיג עומק של פוקוס גדול יותר, לעומת זאת, זה יקטין את הרזולוציה מרחבית.
    4. אם צפיפות הזריעה היא דלילה מדי או צפופה מדי, להגדיל או להקטין את מספר מטוסי ריסוס.

5. הפעלת הניסוי

  1. בצע camerכיול העצמה עם כובע על ההרכבה המצלמה כדי להגדיר התייחסות לעצמה. ברגע שסיים את הכיול, להסיר את הכובע.
  2. הגדר את לייזר לשיעור החזרה האופטימלי ובהווה. לפני מעבר לייזר למצב חיצוני, ודא שליזר מקבל אות הדק רציפה התואמת את התדירות שנקבע. הפעל את לייזר ב.
  3. להקליט רצף של תמונות רקע של רק מרעה גיליון אור פני השטח של הצלחת. שמור את התמונות האלה.
  4. הפעל את הזרימה ולאפשר את הזרימה לייצוב.
  5. להגדיר את המצלמה כדי לתפוס ברציפות ולוודא שהמצלמה היא איסוף תמונות חלקיקים ממוקדים. כבה את מצב גזל המתמשך.
  6. הזן במספר הרצוי של תמונות ולאחר מכן לחץ על רשומה.
  7. ברגע שסיים את ההקלטה, לכבות את הזרימה ולייזר. סקור את הרצף של תמונות וסמנו את מעבר החלקיקים, צפיפות זריעה, ומיקוד תמונת חלקיקים. שמור את ההקלטה אם חזור על שלבים 5.4-5.7 מרוצים או אחר. חזור על שלבים 5.4-5.7 לאסוף יותר ריצות.
  8. הגדל את זמן החשיפה (כמות הזמן לכל מסגרת שהמצלמה היא איסוף תמונות) של המצלמה.
  9. קבע יעד כיול במטוס גיליון האור ולוודא שהוא יוצר מגע עם הצלחת. להאיר את היעד מאחור עם מקור אור (פנס, כלומר). עם המצלמה במצב גזל מתמשך, להתאים את היעד, כך שהתמונה נרשמה בפוקוס ולא מעוותת. ודא שנקודת המגע בין הצלחת והיעד היא גלויה לעין בתמונה - זו היא קריטית לקביעת המיקום של הצלחת בתמונות.
  10. להקליט 10 תמונות של יעד הכיול. חזור על שלבי 5.9-5.11 בכל פעם שהרכבת המצלמה או הפוקוס משתנה.

6. עיבוד נתונים

  1. התוכנה משמשת PIV בהפגנה זו הייתה LaVision דייויס 8.1. ממוצע בכל סט של תמונות הכיול. השתמש בתמונה וכתוצאה מכך קלוואסה הכיולשן כדי לקבוע את הממדים אמיתיים בעולם של תמונות שנרכשו.
  2. תחול כל כיול לסט המקביל של תמונות.
  3. לקבוע את המיקום של הצלחת בתמונות מכוילות. מידע זה הוא נחוץ ליצירת מסכה גיאומטרית (שתואר ב6.6).
  4. ממוצע תמונות הרקע. לקבוע אם השתקפויות לייזר מהמשטח לתרום באופן משמעותי לרעש הרקע על ידי השוואת ספירות האינטנסיביות של תמונת הרקע הממוצעת למצבה בעוצמה של חלקיקי זריעה. השתקפויות לייזר בהירות ליד הקיר תהיה גבוהות יותר מאשר בעוצמות עוצמות חלקיקים. זה ישפיע לרעה על מתאמי PIV ליד הקיר ולהגביל את המיקום של הווקטור אמין הראשון קרוב לקיר. בדוגמה זו, השתקפויות לייזר לא תרמו באופן משמעותי לרקע.
  5. טרום לעבד את תמונות זרימה מכוילות באמצעות מסנן גבוה לעבור (לחסר הזזה רקע מסנן) כדי להסיר את עוצמת הגדולה fluctuations ברקע, כגון השתקפויות לייזר. יש תנודות בעוצמה אותות חלקיקים קטנות ויעברו דרך המסנן.
  6. להגדיר מסיכה גיאומטרית - מלבנית להשתמש במסכה להשבית חישוב וקטור שבו הצלחת ממוקמת בתמונות. הערה: יש שתי אפשרויות לדייויס מסכות גיאומטריות: אחד שמאפשר מתאמי PIV בתוך האזור שצוין ואחד שמנטרל מתאמי PIV בתוך האזור שצוין. מסכה כדי לאפשר לאלגוריתם PIV בתוך האזור שצוין הייתה בשימוש בהפגנה זו.
  7. בתפריט "הגדרות מתקדמות מסכה", לוודא שמסכה מיושמת כראוי (כלומר, להשתמש רק פיקסלים בתוך המסיכה).
  8. ציין את הליך חישוב הווקטור: בדוגמה זו נעשה שימוש בהליך מרובה עובר עם גודל חלון יורד - 2 עובר ראשוני באמצעות 64 64 חלונות החקירה פיקסל X עם 50% חפיפה ואחרי 3 עובר באמצעות 32 32 חלונות החקירה פיקסל X עם 50% חפיפה .
  9. שדות וקטור המהירותבהפגנה זו היה באמצעות הודעה שעובדה בחמש גרות כדי לשפר את האיכות של התוצאות חוצות קשר:) הפוך מסכת קבע; ב) הסר וקטורים עם יחס שיא (Q) <1.1; ג) להחיל מסנן חציון, ד) הסר קבוצות עם <דואר 5 וקטורים) וקטור החל למלא את. יחס השיא (ש) מוגדר משוואה , שבו P1 ו-P2 הם פסגות המתאם הגבוהות ביותר הראשונות ושנייה, בהתאמה, ודקות היא הערך המינימאלי במישור המתאם. Q הוא מדד להערכת האיכות של וקטור. ש משווה את שיא המתאם הגבוה ביותר, שתוצאתה הווקטור הטוב ביותר, על רקע המתאם המשותף המיוצג על ידי המתאם הגבוה ביותר השיא השני. וקטורים עם Q ליד 1 הם אינדיקציה לכך ששיא המתאם הגבוה ביותר הוא שיא שקר. בשלב בא, מסנן החציון קובע וקטור החציון (חציון U, V חציון) מקבוצה של וקטורים והסטייה של הווקטורים השכנים (U RMS, V RMS). מסנן החציון דוחה את הווקטור האמצעי (U, V), אם זה לא מתאים לקריטריונים הבאים: U החציוני - U RMS ≤ u ≤ חציון U + U V RMS וחציון - V rms V ≤ ≤ V חציון + V RMS. בנוסף, ניתן לקבל קבוצות של וקטורים מזויפים אם יש חפיפה גדולה צוינה בחישוב וקטור המהירות. לכן, ניתן להסיר קבוצות של וקטורים עם פחות ממספר המסוים של וקטורים. ברגע שוקטורים מזויפים יוסרו, וקטור למלא עשוי לשמש כדי למלא את החללים הריקים עם וקטורי אינטרפולציה שנקבעו מוקטורים השכנים שאינו אפס. לבסוף, החלת המסכה תמחק לצמיתות את כל וקטורים שמחוץ למסכה.
  10. להעריך את האיכות של התוצאות: א) האם את התוצאותלהפוך פיזי הגיונית? (כלומר מהירויות איטיות יותר בקרבת הגבול, הגדלת מהירויות שעולים מרחק מהקיר; הכיוון של הווקטורים פעל בכיוון הכללי של זרימה, וכו '); ב) שדה וקטורי כתוצאה מורכב במידה רבה של וקטורי בחירה הראשונים (שצוין על ידי תוכנת עיבוד PIV). בדרך כלל מומלץ שהחלק של וקטורי בחירה הראשונים יהיה גבוה מ -95%. מגוון רחב יותר של פעולות עיבוד פוסט מתואר בספרות, למשל 1,2.

Representative Results

תמונה של ההגדרה מוצגת באיור 1. תמונות חלקיקי גלם של חלון 32 x 32 פיקסל חקירה בסמוך לקיר משתי תמונות שצולמו ברצף מוצגות באיור 2. החלקיקים באיור 2a הם עקורים 2-3 פיקסלים לצד ימין באיור 2b ולספק את "כלל רבע", שבו נקבע כי התקות חלקיקים במטוס ומחוץ למטוס לא יעלו על רבע מגודל חלון החקירה . בנוסף לכך, חלקיקי הצפיפות לחלון חקירה צריכה להיות בערך 8-10 חלקיקים מאז אלגוריתמי מתאם PIV לעקוב אחר קבוצות של חלקיקים. עם זאת, צפיפות הזריעה בסמוך לקיר PIV חקירות היא לעתים קרובות על סדר החלקיקים 1-3. לכן, יש להשתמש באלגוריתמים ייעודיים לטיפול במחקרים עם צפיפות זריעה נמוכה יותר, כגון חלקיקי מעקב velocimetry (PTV) אלגוריתמים, העוקבים אחר חלקיקים בודדים 1,2,4-6. גישת קורלציה זמן ממוצעים7,8 עשוי לשמש גם כדי לטפל בבעיות צפיפות זריעה נמוכות, אבל זה בדרך כלל גורם לאובדן של החלטה זמנית. בנוסף, הדמיה ליד קירות מושפעות השתקפויות לייזר בהירות שעשויים להשפיע לרעה על מתאמי PIV ולייצר וקטורי שווא. השתקפויות בהירות אלה גם להגביל את עמדתו של וקטור מהירות חוקי הראשון בכיוון הנורמלי הקיר. העיבוד מראש את תמונות חלקיקי הגלם הכרחי כדי לצמצם את ההשפעה של רעשי רקע ממקורות כגון השתקפויות לייזר. בהפגנה זו הווקטור חוקי הראשון היה ממוקם 23 מיקרומטר מהקיר.

אחרי תמונות חלקיקי גלם מעובדות תוך שימוש באלגוריתמי מתאם PIV, יש לבחון את האיכות ותוקפם של שדות וקטור מהירות כתוצאה מכך. וקטורים מזויפים הם בלתי נמנעים בתחומי וקטור הגלם, אבל יש כמה מאפיינים ייחודיים. וקטורים שגויים נפוצים ליד משטחים, בשולי גיליון האור, ובקצות Oזרימת הפא. כמו כן, הגודל והכיוון של וקטורים לא חוקיים שונה באופן משמעותי מוקטורים שכנים ולא להפוך את התחושה פיזית. במקרה של דוגמא זרימת שכבת הגבול הזה, את וקטורי מהירות החוקיות צריכים להצביע משמאל לימין כפי שמציינות את התקות חלקיקים מאיור 2. בנוסף, מהירויות צריכה להקטין ליד הקיר בשל החלקה לא מצב 9. שדות המהירות הרגעיים שמוצגים באיור 3 יתאימו גם של קריטריונים הפיסיים אלה. מדד שימושי נוסף כדי להעריך את תוקפו של תוצאות PIV הוא לקבוע את בחירת הווקטור של כל וקטור בתחום וקטור המהירות. באופן כללי, שדה הווקטורים צריך להיות מורכב => וקטורי בחירה הראשונים של 95%, כלומר אלה שלא נדרשו לאחר עיבוד, כך שאלגוריתמים לעיבוד פוסט חזקים עשויים לשמש כדי לזהות ולהחליף את וקטורים מזויפים מבלי לייצר חפצים ניכרים 2. שדות הווקטור מיידיים שמוצג ב

המשמעות של מדידות במהירות גבוהה, או קולנועיות, PIV מתברר מבדיקה של רצף זמן של תמונות זרימה. שדות וקטור מהירות רגעית (v i) ותנודות מהירות (V ") בתחילת, האמצע וסוף של רצף ההקלטה מוצגים באיור 3. באמצעות פירוק ריינולדס, V אני הוא הסכום של שדה מהירות הממוצע ( משוואה ) ו-V '10. לצורך ניסוי זה, משוואה נקבע על ידי חישוב ממוצע באופן זמני את כל התמונות ברצף. שדות הווקטור מיידיים באמצעותאת רצף ההקלטה דומים מאוד ומראה את הזרימה עוברת משמאל לימין. תוצאות אלו מצביעות על כך שגם הזרימה היא בעיקר בכיוון האופקי מאז רכיב המהירות האופקי (U) הוא הרבה יותר גדול מאשר רכיב המהירות האנכי (V). שדות וקטור התנודות גם מצביעים על כך שניודי המהירות האופקיים (U ') גדולים יותר מתנודות המהירות האנכיות (V'). עם זאת, התנודות גם מצביעות על כך שהזרימה היא ההאטה מאז U 'היפוך הכיוון שלה לאורך כל רצף ההקלטה.

U בזמן הממוצעים והמיידי - הפרופילים בכמה פעמים שונות לאורך רצף ההקלטה מוצג באיור 4 ולוודא שהזרימה היא להאט במשך זמן. U - הפרופיליםמחדש נקבע על ידי ממוצעים של ארבעה עמודים וקטורית סמוכים יחד כדי לשפר את המובהקות סטטיסטיות של התוצאות קרובות לקיר. ההליך היה בשימוש בעבודה קודמת 6,8. הברים השגיאה מצביעים פעמיים סטיית התקן של ארבעה עמודים וקטורית הסמוכים. בר השגיאה הגדול ביותר מתרחש בקרבת פני השטח של הצלחת ומחזק את הקושי של שימוש באלגוריתמי מתאם PIV לאזורי צפיפות זריעה נמוכה. אלגוריתמים לניתוח כמה הם נועדו לתת מענה צפיפות זריעה נמוכה כגון PTV 5,6 וגישות מתאם הזמן ממוצעות על 7,8.

איור 1
איור 1. Benchtop הרכבה.

איור 2
איור 2. תמונות חלקיקים בחקירת 32 x 32 פיקסל ליד הקיר ב) t = 0.2 אלפיות שני וב) t = 0.4 אלפיות שני. את הממדים הפיסיים של חלון החקירה הם 96 x 96 מיקרומטר 2.

איור 3
איור 3 משמאל:. מיידי (v i), ומצד ימין: (V ') שדות מהירות תנודות בתחילת, האמצע וסוף של רצף ההקלטה. שדות וקטור מורכבים כולו מוקטורים הראשון בעדיפות. משנה קטן יותר של תחומי הווקטור מוצג לבהירות. שדות V אני מצביעים על זרימת תנועה משמאל לימין ואילו הכיוון ההפוך "V. יש לציין כי רק בכל עמודה רביעית וקטור בכיוון האופקי מוצגת לבהירות. בנוסף, בקנה מידה המהירות בין השדות ואני V "V הוא שונה כפי שצוין בפינה השמאלית העליונה של כל תמונה.

איור 4
איור 4. אופקי מהירות (U) פרופילים בזמנים שונים במהלך הזרימה. u בזמן ממוצעים - פרופיל מוצג במעגלים. ברים שגיאה המוצגים על t = 0.1 אלפיות פרופיל הם נציג של ברים שגיאה עבור כל פעמים אחרות. ההיסטוריה הזמן של U - פרופילים מציגה ירידה בזרימה לאורך זמן.

Discussion

כמו בכל טכניקת מדידה אופטית זרימה, תכנון ההתקנה של velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה (PIV) דורש הערכה של אילוצים ופשרות הערכה הטובות ביותר למשימה המדידה בהישג יד. הבחירה של הגדלת תמונה, מסגרת דולר, נכסי חוץ לייזר, וניתוח אלגוריתמים תלויה בפרטים של הזרימה תחת מחקר. אם יהיה בכך צורך, חייבים להתנהל מדידות גישוש לזהות הגדרות פרמטרים למדידות איכות גבוהות.

מאמר זה מתאר את ההליך באופן כללי וחלק מתוצאות המדגם לPIV במהירות גבוהה כדי ללמוד את שכבת הגבול של זרימה לאורך צלחת שטוחה. רצף של 500 תמונות נרשם ב5 קילוהרץ. מיקרוסקופ למרחקים ארוכים היה בשימוש כדי להשיג מ"מ תחום של נוף 2.4 x 1.8 2 הממוקם על פני השטח הצלחת. תאורה באיכות גבוהה של טיפות שמן הזרעים הושגה עם קרן מליזר מצב מוצק דיודה-נשאב פעם שהורחב לאור sheet באמצעות homogenizer קורה. קרן homogenizer מכיל מערך עדשת מיקרו מורכב מעדשות גליליות קטנות וטלסקופים נוספים, משולבים. מיקרו עדשת המערך מרחיב את האלומה המעגלית בכיוון האנכי על ידי פיצול אלומת האור הנכנס לbeamlets. ואז הטלסקופ הבא כופה את beamlets ליצור גיליון אור עם חלוקת עוצמת אור אפילו במטוס גיליון האור הרגיל להתפשטות הקורה. תמונות עובדו באמצעות אלגוריתם חוצה קשר PIV. יצוין כי קרן הומוגני היא מועילה, במיוחד כאשר עובדים ליד משטחים, אבל זה לא קריטי ליישום המתואר כאן.

השיטה שתוארה בהליך זה מאפשרת לחקירות שאינן פולשניות ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה על תזרים באמצעות אלגוריתמי מתאם חזקים. היתרונות העיקריים של שיטה זו ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה הם רזולוציה מדידת מרחב ובזמן ואת היכולת לזהות ולעקוב אחרהאבולוציה של מבנים בתוך הזרימה. שימוש בשיטות אלה, Alharbi 6 וJainski et al. 8 הדגימו את היכולת לדמיין ולעקוב אחר מבני מערבולת בתוך שכבת הגבול של מנוע בעירה פנימי. תכונות עיקריות אלה מאפשרות חקירות על המבנה והדינמיקה של זרמים חולפים מאוד. יתר על כן, ניתן להרחיב מעבר PIV, שדות מהירות דו רכיבים דו ממדים (2D-2C) (כפי שמתואר כאן) כדי לפתור את 3 רכיבים (3C) במטוס (סטריאו-PIV) ובנפח (טומוגרפית PIV , סריקת PIV, הולוגרפית PIV). בנוסף, PIV עשוי להיות מיושם עם טכניקות אחרות כגון לייזר מישוריים-Induced הקרינה (PLIF), מסונן ריילי פיזור (FRS), וphosphors thermographic כדי להשיג מדידות 2D בו זמניות של מהירות וscalars האחרים (טמפרטורה, ריכוז מינים, יחסי שקילות) 11 -14. שיטות אופטיות, המבוססים על לייזר אלה יכולות להיות מיושמות באופן ישיר לחקירה והמוניתתהליכי חילופי אנרגיה ביישומים רבים, כגון קיר קרוב זורמים במנוע בעירה פנימי.

Disclosures

יש מחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

חומר זה מבוסס על העבודה נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע בארה"ב תחת גרנט לא CBET-1032930 ועבודות שבוצע באוניברסיטת כמותי לייזר האבחון במעבדה של מישיגן.

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