Particules à haute vitesse vélocimétrie par image de près de surfaces

1. Sécurité en laboratoire Revue matière de sécurité laser avant de faire fonctionner un laser et de s'assurer que les besoins de formation ont été atteints. Obtenir l'équipement de sécurité correct pour travailler avec des lasers. Chaque individu doit porter une paire de lunettes de protection laser qui vont bloquer d'onde d'émission du laser (s). Installer un panneau d'avertissement à l'extérieur du laboratoire de laisser les autres savent quand le laser est en marche. Accrochez laser rideaux de sécurité autour du banc optique pour l'isoler des autres collègues dans un espace de laboratoire partagé. Retirez les montres et les bijoux lorsque vous travaillez avec des lasers. Considérons la trajectoire du faisceau lors de la configuration de l'équipement: mettre en place l'équipement de sorte que les ajustements ne nécessitera pas d'atteindre au-dessus ou au-dessous de la poutre. Lisez le manuel de laser pour déterminer comment utiliser le laser en toute sécurité. Conservez votre niveau d'oeil sur le plan du faisceau laser! 2. De table Set-up Déterminer le grossissement tchapeau sera exigé pour l'application et choisissez l'objectif approprié. Le grossissement (M) peut être déterminée en divisant la durée de la puce de l'appareil photo avec la longueur correspondante du champ de vision (FOV). Dans cet exemple, la longueur de la puce de la caméra est de 17,6 mm et la longueur correspondante de l'angle de champ est de 2,4 mm. Par conséquent, M = 17,6 mm / 2,4 mm = 7,33. Un microscope longue distance est utilisé ici pour atteindre cet FOV plus petit. Effectuer des calculs approximatifs de vitesses attendues dans la région proche de la paroi. Utiliser ces estimations pour déterminer les paramètres d'enregistrement, tels que le taux de trame et le délai selon les directives pratiques pour PIV 1,2. Déterminer le temps qu'il faudra pour une particule de voyager 8 pixels. Cela permettra de déterminer l'intervalle de temps entre chaque impulsion laser (dt). En séries chronologiques PIV, 1/dt permettra de déterminer la vitesse de défilement de caméra nécessaire et doit être inférieur au taux de trame maximum autorisée par la caméra. De petits ajustements de ces paramètres peutêtre plus tard nécessaire pour optimiser l'enregistrement de débit pour obtenir des données de vitesse de haute qualité. Si la cadence requise dépasse la vitesse maximale de répétition laser, deux lasers peuvent être utilisés pour effectuer des PIV en mode frame-cheval. Pour cet exemple, le taux d'armature (5 kHz) ne dépasse pas le taux maximum de répétition du laser et donc un seul laser est nécessaire pour effectuer PIV en mode séries chronologiques. Niveler le laser par rapport à la table Régler la tête de laser à une extrémité d'une table optique de niveau. Placer une décharge de faisceau directement dans le trajet du faisceau à l'autre extrémité de la table. Placer un rail optique entre la tête laser et l'absorbeur de faisceau. Bande d'une cible à un agent de blocage de faisceau, fixer le bloqueur de faisceau sur un support et de placer le support sur le rail. Régler le courant à un réglage faible intensité laser – assez pour produire un effet laser mais pas assez pour brûler une feuille de papier. Allumez le laser et faites glisser le support avant et en arrière. Effectuer de petits réglages à la position unt laserIL le centre du faisceau laser reste au même endroit que le transporteur se déplace d'avant en arrière. Fixer le laser à la table optique. Mesurer la hauteur du centre du faisceau laser à l'aide d'un carré de combinaison. Éteignez le laser. Installez optique formant des feuilles de laser Retirer le rail mais placer le bloqueur de faisceau avec la cible en face du vidage de la poutre. Allumez le laser et marquer soigneusement l'endroit où le centre du faisceau touche la cible. Placer la feuille optique de formation, ce qui est l'homogénéisateur de faisceau (BH) qui comprend également une feuille formant télescope dans cette démonstration, dans le trajet du laser pour former la nappe laser. La hauteur de la nappe laser doit être plus grand que le champ de vision. Ajustez la position de la BH au centre de la hauteur et de la largeur de la feuille de laser sur la marque sur la cible et de retenir les réflexions de voyager de nouveau dans la cavité du laser. Placer une ouverture entre la tête laser et BH si nécessaire afin d'éviter des réflexions de retour. Éteignez le laser. La LFeuille roite dans cette démonstration a une hauteur de 8 mm et une épaisseur de 0,5 mm, respectivement, et une énergie d'impulsion de 0,4 mJ / impulsion. Si l'espace est limité sur la table optique, placer un miroir à 45 ° à haute réflectivité de tourner la feuille de lumière laser de 90 °. Ruban autre cible à un agent de blocage de faisceau, fixer le bloqueur de faisceau sur un support et de placer le support sur le rail. Placez le rail après le miroir. Allumez le laser. Effectuer de petits réglages au miroir jusqu'à ce que le centre de la nappe de lumière reste en place sur la cible comme il glisse le long du rail. Réglez le taux de répétition des impulsions laser pour correspondre à la fréquence de trame pour les mesures (5 kHz pour l'exemple présenté ici) et régler le courant à la valeur maximale laser. Placez un rail entre la BH et la cible. Joindre une deuxième bloqueur de faisceau au transporteur et placez l'ensemble sur le rail. Allumez le laser. Faites glisser le support avant et en arrière pour déterminer l'emplacement du point focal de la BH. Marquez l'emplacement du focPoint al relatif à la Bosnie-Herzégovine. Si un miroir est utilisé, effectuer la mesure par rapport au miroir. Mesurer la hauteur approximative de la nappe laser au point focal. Éteignez le laser. Monter et ajuster microscope longue distance et caméra Marquer les axes horizontal et vertical du microscope à longue distance (LDM) et des ouvertures de l'appareil à l'aide d'un carré de centrage et de la place de la combinaison. Mesurer la distance entre la table et les axes horizontaux de la LDM et la caméra. Fixer le MLD et la caméra pour les transporteurs et en utilisant des pièces d'écartement, tels que des rondelles ou écrous, de sorte que les axes horizontaux de la MLD et la caméra sont à la même hauteur. Fixer la LDM et la caméra sur le rail. Fixez la LDM et la caméra en utilisant les adaptateurs appropriés. Régler la hauteur de l'ensemble de telle sorte que les axes horizontaux sont à la même distance au-dessus de la table, comme le centre de la nappe de lumière. Fixer une platine de translation en avant de la marque pour la po focalint de la poutre. Le mouvement de la platine de translation soit parallèle à la propagation du faisceau. Fixer le rail pour le montage de la caméra à l'étape de traduction de sorte que la totalité de l'assemblage est perpendiculaire à la nappe de lumière. Centre de l'ensemble de l'appareil photo en alignant les axes verticaux de la caméra MLD et avec le point focal. Branchez l'appareil photo à l'ordinateur et le contrôleur à grande vitesse (HSC). Connectez le laser au HSC. Gardez le cap de l'ensemble de caméra et réaliser un étalonnage de l'intensité dans le logiciel PIV (LaVision DaVis 7.2). Dans le logiciel régler l'appareil en mode de maintien en permanence et enlever le bouchon de l'assemblage de l'appareil. Placez une équerre combinée au point focal. Déplacez la caméra et LDM le long du rail jusqu'à ce qu'une image nette de la règle est au point. Continuez à déplacer la caméra et LDM le long du rail et amener l'image dans le foyer à l'aide de la tige de visée de l'LDM jusqu'à ce que la puce de la caméra s'étend le champ de vision désiré (2.4 x 1,8 mm 2, correspondant à une puce de 800 x 600 pixels). Fixer une plaque à un support de sorte qu'il soit parallèle à la table et à le placer au point focal. Soulever la plaque de sorte qu'il est visible sur les images sur l'ordinateur. Coupez l'ensemble caméra accaparement et le bouchon continu. Allumez le laser et assurez-vous que la feuille de lumière laser permet contacter le long de la surface de la plaque. 3. Débit Set-up Dans cette démonstration, PIV est réalisée en enregistrant des images de la lumière diffusée à partir de gouttelettes d'huile de silicone. Les gouttelettes d'huile sont créés en utilisant un pulvérisateur d'huile. Connecter les éléments suivants à une alimentation d'air: un filtre à particules, le filtre à huile, le régulateur de pression, un débitmètre de masse, et la pulvérisation de l'huile. Connecter la sortie de l'atomiseur à un tube d'acier. Utiliser un support et une pince pour fixer le tube d'acier de la table optique, élever le tube au-dessus de la table et de la diriger vers la plaque. Ouvrez le robinet d'arrivée d'air. Réglez le retourla pression sur le régulateur de pression de> 140 kPa afin de créer suffisamment de débit à travers le système. Allumez le débit et régler la densité de semis par les jets de pulvérisation et les soupapes de dérivation sur l'atomiseur. 4. Optimisation de la Set-up Entrer la vitesse de défilement dans le programme de logiciel. Vérifiez que le HSC envoie un signal de déclenchement qui correspond à la fréquence de trame au laser. Sur le bloc d'alimentation du laser, régler la fréquence de répétition et de courant (5 kHz et 15,5 A dans cet exemple, respectivement). Réglez le laser en mode externe. Le laser doit recevoir en continu un signal de déclenchement à partir de l'HSC qui correspond à l'ensemble de la fréquence de répétition du laser avant de basculer en mode externe ou bien le laser va surchauffer. Réglez l'appareil photo pour saisir en permanence, allumez le laser, et allumez l'atomiseur. Utilisez la tige en se concentrant sur la LDM pour s'assurer images de particules sont au point. Assurez-vous aussi l'intensité des images de particules n'est pas saturer la cameépoque. Si c'est le cas, baissez le laser actuel – cela va affecter l'emplacement du point focal! Répéter les étapes 2.3.3 et 2.4.3 si le courant laser est modifiée. Désactiver le mode de saisie quand des images de particules orientées sont atteints. paramètres d'enregistrement, d'examen et ajuster pour obtenir des données de vitesse valables Enregistrer plusieurs centaines d'images de l'écoulement. Une fois l'enregistrement terminé, vérifier les images enregistrées pour s'assurer que les particules ne passent pas plus de 8 pixels, que la densité de semis est de l'ordre de 8-10 particules par 32 x fenêtre d'interrogation de 32 pixels, et de vérifier la mise au point des images . Répétez les étapes 4.3.1-4.3.4 jusqu'à ce que les critères précédents ont été respectées. Si les particules se déplacent plus de 8 pixels, diminuer le dt entre les deux impulsions laser PIV pour atteindre un maximum de quarts de 8 pixels. Si les particules se déplacent beaucoup moins de 8 pixels, augmenter le dt en conséquence. Pour les systèmes PIV laser unique, le dt est ajustée en modifiant la fréquence de trame et par conséquentle taux de répétition du laser. Pour PIV utilisant deux lasers, dt est l'intervalle de temps entre une impulsion provenant du premier laser et une impulsion provenant du second laser. Si dt ​​de réglage ne résout pas le problème, le taux de trame et taux de redoublement laser peuvent d'abord être réglés et puis dt peuvent avoir besoin d'être affiné à nouveau. S'il est difficile de suivre les groupes de particules à travers une série d'images, il peut y avoir trop de mouvement hors-plan. Il ya plusieurs façons d'aborder cette question: a) compenser l'assemblage de l'appareil à partir du point focal de sorte que l'appareil photo est l'image d'une nappe de lumière plus épais; b) augmenter la distance de travail entre la caméra et le montage du plan de nappe de lumière (et de se concentrer à l'aide tige se concentrant ) pour atteindre une plus grande profondeur de mise au point, cependant, cela permettra de réduire la résolution spatiale. Si la densité de semis est trop rares ou trop dense, augmenter ou diminuer le nombre de jets de pulvérisation. 5. Exécution de l'expérience Effectuez une camerun étalonnage de l'intensité avec le couvercle sur l'ensemble de l'appareil pour définir une référence pour l'intensité. Une fois le calibrage est terminé, retirez le bouchon. Ensemble laser à la fréquence de répétition et optimisée en cours. Avant de mettre le laser en mode externe, assurez-vous que le laser reçoit un signal de déclenchement continu qui correspond à la fréquence définie. Allumez le laser. Enregistrer une séquence d'images d'arrière-plan de la feuille juste pâturage lumière de la surface de la plaque. Enregistrer ces images. Allumez le débit et permettre l'écoulement de se stabiliser. Réglez l'appareil photo pour prendre en permanence et vérifier que l'appareil recueille des images de particules ciblées. Désactivez le mode d'appui continu. Entrez dans le nombre d'images désiré et appuyez sur dossier. Une fois l'enregistrement terminé, éteignez flux et laser. Examiner la séquence d'images et de vérifier le passage des particules, la densité d'ensemencement, et les particules foyer image. Sauvegarder l'enregistrement si répétez les étapes satisfaits ou autre 5,4-5,7. </li> Répétez les étapes 5.4 à 5.7 pour recueillir plus de points. Augmenter le temps d'exposition (quantité de temps par trame que l'appareil recueille images) de la caméra. Définir une cible de calibrage dans le plan de la feuille de lumière et assurez-vous qu'il est en contact avec la plaque. Illuminer la cible par derrière avec une source de lumière (c.-à-lampe de poche). Avec l'appareil en mode de maintien continu, ajuster la cible de sorte que l'image enregistrée est mis au point et non faussée. Assurez-vous que le point de contact entre la plaque et la cible est visible dans l'image – ce qui est crucial pour déterminer l'emplacement de la plaque dans les images. Enregistrer 10 images de la cible de calibrage. Répétez les étapes 5.9 à 5.11 chaque fois que l'assemblage de l'appareil ou focus est modifié. 6. Traitement des données Le logiciel PIV utilisé dans cette démonstration était LaVision DaVis 8.1. Moyenne chaque ensemble d'images cibles d'étalonnage. Utiliser l'image obtenue dans l'étalonnage rouTine pour déterminer les dimensions vrai-monde des images acquises. Appliquer chaque étalonnage de l'ensemble correspondant des images. Déterminer l'emplacement de la plaque dans les images calibrées. Cette information est nécessaire pour créer un masque géométrique (décrits dans la rubrique 6.6). Moyenne, les images de fond. Déterminer si les réflexions laser de la surface contribuent de manière significative au bruit de fond en comparant les chiffres de l'intensité de l'image moyenne de fond pour les comptes de l'intensité des particules d'ensemencement. Réflexions laser lumineux près du mur devront intensité supérieure à l'intensité des particules. Cela va nuire à la VSP corrélations près du mur et de limiter l'emplacement du premier vecteur fiable proche de la paroi. Dans cet exemple, les réflexions laser n'ont pas contribué de manière significative à l'arrière-plan. Pré-traiter les images de flux calibrés en utilisant un filtre passe-haut (soustraire glisser le filtre à fond) pour enlever de grandes fluctuations d'intensitétions dans le fond, tels que des réflexions laser. signaux de particules ont fluctuations d'intensité et petits passeront à travers le filtre. Définir un masque géométrique – utiliser un masque rectangulaire pour désactiver calcul vectoriel où la plaque se trouve dans les images. Note: DaVis a deux options pour les masques géométriques: une qui permet corrélations PIV dans la région déterminée et qui désactive corrélations PIV dans la région spécifiée. Un masque pour permettre à l'algorithme PIV dans la zone spécifiée a été utilisé dans cette démonstration. Dans un menu "Avancé masque de paramètres", assurez-vous que le masque est appliqué de façon appropriée (c. seulement utiliser des pixels à l'intérieur du masque). Préciser les modalités de calcul vectoriel: dans cet exemple une procédure multi-passe avec la diminution de la taille de la fenêtre a été utilisé – 2 passes initiales à l'aide de 64 x 64 fenêtres d'interrogation de pixels avec 50% de chevauchement suivis par 3 passes en utilisant 32 x 32 fenêtres d'interrogation de pixels avec 50% de chevauchement . Les champs de vecteurs de vitesseà cette manifestation ont été post-traitées à l'aide de cinq sous-programmes pour améliorer la qualité des résultats de corrélation croisée: a) Créer un masque permanent; b) Retirer vecteurs avec un ratio de pointe (Q) <1,1; c) Appliquer un filtre médian; d) Retirer groupes avec <5 vecteurs e) Appliquer vecteur remplir-up. Le taux de pics (Q) est définie comme , Où P1 et P2 sont les premier et deuxième plus hauts pics de corrélation, respectivement, et min est la valeur minimale dans le plan de corrélation. Q est une métrique pour évaluer la qualité d'un vecteur. Q compare le plus haut pic de corrélation, ce qui conduit à la meilleure vecteur, à l'arrière-plan de corrélation commun représenté par le deuxième pic de corrélation. Vecteur avec Q près 1 sont une indication que le pic de corrélation le plus élevé est un faux pic. Ensuite, le filtre médian détermine le vecteur médian (u médiane, v médiane) D'un groupe de vecteurs, et l'écart type des vecteurs voisins (U rms, V rms). Le filtre médian rejette le vecteur intermédiaire (u, v) si elle ne correspond pas aux critères suivants: u médian – u rms ≤ u ≤ u médiane + u rms et v médian – V eff ≤ v ≤ v médiane + V eff. En outre, il est possible d'obtenir des groupes de vecteurs parasites si un chevauchement a été spécifié dans le calcul de vecteur vitesse. Par conséquent, il est possible de supprimer des groupes de vecteurs avec moins d'un nombre spécifié de vecteurs. Une fois vecteurs parasites sont éliminées, vecteur remplir peut être utilisé pour remplir les espaces vides avec des vecteurs interpolés déterminées à partir des vecteurs voisins de zéro. Enfin, appliquer le masque en permanence supprime tous les vecteurs en dehors du masque. Évaluer la qualité des résultats: a) Les résultatsdonner un sens physique? (C'est à dire plus lentes vitesses proches de la frontière, en augmentant les vitesses avec la distance du mur, la direction des vecteurs suivre la direction générale de l'écoulement, etc); b) Le champ de vecteur résultant est en grande partie composée de premiers vecteurs de choix (indiqué par le logiciel de traitement PIV). En général, il est recommandé que la fraction des premiers vecteurs de choix soit supérieur à 95%. Un large éventail de mesures de post-traitement est décrit dans la littérature, par exemple 1,2.