乱流で3Dプリント粒子の配向および回転速度を測定するための方法
Summary
We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.
Abstract
実験方法は、乱流の流体の流れに異方性粒子の回転および並進運動を測定するために提示されています。三次元印刷技術は、共通の中心部に接続された細長いアームを有する粒子を製造するために使用されます。探検形状が十字（2垂直棒）、ジャック（3垂直棒）、三和音（三角面対称で3ロッド）、および四分子（四面体対称で4本のアーム）です。万蛍光染色された粒子のために製造する方法が記載されています。それらの配向とソリッドボディ回転速度の時間分解測定は、この比較的低いレイノルズ数の流れでRλ= 91とグリッドを振動間乱流におけるそれらの動きの4同期ビデオから得られ、移流粒子が十分に小さいですそれらは楕円トレーサー粒子を近似します。我々は、粒子の位置及び姿勢の時間分解3D軌道の存在の結果としてよく彼らの回転速度の測定のような。
Introduction
最近の刊行物では、乱流1中の粒子の回転運動を測定するための複数の細長いアームから作られた粒子の使用を導入しました。これらの粒子は、3Dプリンターを用いて製造することができ、正確に複数のカメラを使用してそれらの位置、姿勢、および回転速度を測定することができます。細長い本体論のツールを使用して、これらの粒子は、効果的な楕円体2に対応していることを示すことができ、これらの粒子の回転運動は、それぞれの有効な楕円のものと同一です。同じ長さの対称アームを有する粒子が球のように回転させます。そのような粒子は、その中心に取り付けられた3つの相互に垂直なアームを有するジャック、です。ジャックのアームの相対的長さを調整する任意の三軸楕円体の粒子と同等に形成することができます。一方のアームの長さはゼロに等しく設定されている場合、これは、その等価楕円ディスクでクロスを作成します。細長いからなる粒子腕は彼らの固体楕円対応の固体体積の小部分を取ります。その結果、密度が一致するように容易になり、よりゆっくりと沈降します。これは、固体楕円状の粒子と便利であるよりもはるかに大きい粒子の研究を可能にします。粒子は他の粒子からの光の小さな部分を遮断するため、また、撮像がはるかに高い粒子濃度で行うことができます。
本論文では、3D印刷粒子の製造および追跡するための方法が記載されています。複数のカメラから見たパーティクルの位置から球状粒子の並進運動を追跡するためのツールがいくつかのグループ3,4によって開発されてきました。パルサら 5は、複数のカメラから見た棒の位置及び姿勢を用いてロッドを追跡するためにこの方法を拡張しました。ここでは、多種多様な形状の粒子を作製し、それらの3D姿勢を再構成するための方法を提示します。これは、番目を提供しています電子の可能性は、新しいアプリケーションの広い範囲に複雑な形状を有する粒子の3Dトラッキングを拡張します。
この技術は、理由設計することができる粒子形状の広い範囲の更なる発展のために大きな可能性を秘めています。これらの形状の多くはプランクトン、種子、および氷の結晶が形状の広大な配列に来る環境フロー、直接アプリケーションを持っています。粒子の回転および乱流6の基本的な小規模の特性との間の接続は、これらの粒子の回転の研究では、乱流カスケードプロセスを見ての新しい方法を提供することを示唆しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
渦と乱流流れの中の粒子の回転の測定は長い実験流体力学における重要な目標であると認識されています。乱流の小さな球体のソリッドボディの回転が半流体の渦度に等しいですが、球の回転対称性は、困難な彼らのソリッドボディ回転の直接測定を行いました。伝統的に、流体の渦度は、複雑な、マルチセンサ、熱線プローブ14を用いて測定しました。しかし、これらのセンサは、…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我々は、我々が使用する画像圧縮システムを設計し、構築しスサンタWijesingheに感謝します。私たちは、NSFのグラントDMR-1208990からの支援を認めます。
Materials
| Condor Nd:YAG 50W laser | Quantronics | 532-30-M | |
| High speed camera | Basler | A504k | |
| High speed camera | Mikrotron | EoSens Mc1362 | |
| Rhodamine-B | ScienceLab.com | SLR1465 | |
| Sodium Hydroxide | Macron | 7708 | Pellets. |
| 500 Connex 3D printer | Objet | Used to make smaller particles. Particles ordered from RP+M (rapid prototyping plus manufacturing). | |
| VeroClear | Stratasys | RGD810 | Objet build material. |
| Form 1+ 3D printer | Formlabs | Used to make larger particles. | |
| Clear Form 1 Photopolymer Resin | Formlabs | ||
| Cylindrical and spherical lenses | |||
| 200, 100, 50 mm macro camera lenses | F-mount. | ||
| Ultrasonic bath | Sonicator | ||
| Calcium Chloride | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | CAS 10043-52-2 | Pellets. |
| LabVIEW System Design Software | National Instruments | Used to trigger cameras, control grid, and trigger laser. | |
| XCAP Software | EPIX | Used with LabVIEW to trigger cameras. | |
| MATLAB | Mathworks | Used for all image and data analysis. Programs for extracting 3D orientations from multiple images are included with this publication. | |
| OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetry | OpenPTV Consortium | ||
| ParaView | Kitware | ||
| AutoCAD | AutoDesk | Used to design all particles. Screenshots of particle designs are all of AutoCAD. | |
| Mesh with 0.040 x 0.053 inch holes | Industrial Netting | XN5170–43.5 | |
| Camera filters | Schneider Optics | B+W 040M |
References
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