High-Speed-Particle Image Velocimetry Nahe Surfaces

1. Lab Sicherheit Bewertung Laserschutz Materials vor Betreiben eines Lasers und sicherzustellen, dass die Ausbildung Anforderungen erfüllt wurden. 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. Entfernen Sie alle Uhren und Schmuck bei der Arbeit mit Lasern. Betrachten Sie den Strahlengang beim Einrichten Ausrüstung: Ausrüstung einzurichten, so dass Anpassungen nicht verlangen, werden Erreichen oberhalb oder unterhalb des Balkens. Lesen Sie den Laser manuell zu bestimmen, wie der Laser sicher zu betreiben. Halten Sie Ihre Augenhöhe aus der Ebene des Laserstrahls! 2. Tisch-Set-up 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. 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. Richten Sie den Laser mit Bezug auf Tabelle 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. 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. 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. Messen Sie die Höhe der Mitte des Laserstrahls mit einer Kombination Platz. Schalten Sie den Laser. Installieren Laser Blechumformung Optik 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. 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. 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. Montieren und justieren Ferngespräche Mikroskop und Kamera 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. 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. 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. 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). 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). 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 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. Öffnen Sie die Luftzufuhrventil. Stellen Sie den RückenDruck am Druckregler zu> 140 kPa genug Durchfluss durch das System zu erstellen. 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 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. 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. Die Bilanz, Überprüfung und Anpassung von Parametern für den Erhalt gültig Geschwindigkeitsdaten 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. 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. 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. Wenn die Aussaatdichte ist zu dünn oder zu dicht, erhöhen oder verringern die Zahl der Zerstäuber Jets. 5. Durchführung des Experiments 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. 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. Zeichnen Sie eine Sequenz von Hintergrundbildern nur das Licht Blatt Beweidung der Oberfläche der Platte. Speichern Sie diese Bilder. Schalten Sie den Strom und damit die Strömung zu stabilisieren. Stellen Sie die Kamera kontinuierlich zu packen und zu überprüfen, ob die Kamera fokussiert Sammeln Teilchen Bilder. Schalten Sie den kontinuierlichen Modus greifen. Geben Sie die gewünschte Anzahl von Bildern und drücken Sie dann die Aufzeichnung. 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. </li> Wiederholen Sie die Schritte 5.4-5.7, mehr Runs zu sammeln. Erhöhen Sie die Belichtungszeit (die Menge an Zeit pro Bild, das die Kamera Sammeln von Bildern) der Kamera. 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. 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 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. Bewerben jede Kalibrierung auf den entsprechenden Satz von Bildern. Bestimmen Sie den Speicherort der Platte in den kalibrierten Bildern. Diese Information ist notwendig für die Schaffung eines geometrischen Maske (beschrieben in 6.6). 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. 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. 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. In einem "Advanced Maske Einstellungen"-Menü, stellen Sie sicher, Maske angemessen ist (dh nur Pixel innerhalb der Maske) angewendet. 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 . 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 , 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. 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.