Alta velocità Particle Image Velocimetry prossimità di superfici
Summary
Una procedura per lo studio dei flussi intermedi vicini confini con alta risoluzione, alta velocità velocimetria immagini di particelle (PIV) è descritto qui. PIV è una tecnica di misura non intrusiva applicabile a qualsiasi flusso otticamente accessibile, ottimizzando diversi vincoli di parametri quali l'immagine e la registrazione di proprietà, le proprietà del foglio laser, e algoritmi di analisi.
Abstract
Flussi multi-dimensionali e transitoria svolgono un ruolo chiave in molte aree della scienza, l'ingegneria e le scienze della salute, ma spesso non sono ben compresi. La natura complessa di questi flussi può essere studiato utilizzando particelle velocimetria immagine (PIV), una tecnica di imaging laser-based per i flussi otticamente accessibili. Benchè molte forme di PIV esistono che si estendono oltre la tecnica planare originale capacità di misurazione di velocità a due componenti, il sistema PIV base consiste di una sorgente di luce (laser), una macchina fotografica, particelle traccianti, e algoritmi di analisi. I parametri di imaging e la registrazione, la sorgente luminosa, e gli algoritmi sono regolati per ottimizzare la registrazione per il flusso di interesse e di ottenere dati di velocità validi.
Comune PIV indagini misurano velocità a due componenti in un aereo a pochi fotogrammi al secondo. Misurazioni frame rate elevato (> 1 kHz) Tuttavia, i recenti sviluppi nella strumentazione hanno facilitato in grado di risolvere transizioneent scorre con alta risoluzione temporale. Pertanto, le misure ad alto tasso di telaio hanno indagini abilitati sull'evoluzione della struttura e la dinamica dei flussi altamente transitori. Queste indagini hanno un ruolo fondamentale nella comprensione della fisica fondamentali di flussi complessi.
Una descrizione dettagliata per eseguire ad alta risoluzione e ad alta velocità planare PIV studiare un flusso transitorio vicino alla superficie di una piastra piana è presentato qui. Dettagli per regolare i vincoli dei parametri quali l'immagine e le proprietà di registrazione, le proprietà del foglio laser, e algoritmi di elaborazione di adattarsi PIV per qualsiasi flusso di interessi sono inclusi.
Introduction
Misure multi-dimensionali di velocità e la possibilità di monitorare il campo di moto in tempo forniscono informazioni critiche in molte aree della scienza, l'ingegneria e scienze della salute. Tra le tecniche più utilizzate per l'imaging del flusso è particella velocimetria immagine (PIV). Inizialmente stabilito come tecnica planare che istantanee misurate dei due in-plane componenti di velocità, le varianti PIV sono state sviluppate per fornire funzionalità a tre componenti e Misurazione del volume. Tutti i sistemi PIV consistono di particelle traccianti, una o più fonti di luce e una o più telecamere. Particelle solide o goccioline sono comunemente usati come particelle traccianti ma bolle inerenti al flusso possono anche essere utilizzate come particelle traccianti. La telecamera (s) allora immagine (s) sparsi o luce dalle particelle traccianti emessa dopo che sono irradiati dalla sorgente luminosa (s). Tra la vasta gamma di variazioni di 1,2 il più comune coglie due componenti di velocità in un piano ad un topoe di un paio di fotogrammi al secondo. Più di recente, la nuova strumentazione ha permesso misurazioni frame rate elevato (> 1 kHz) che seguono il flusso nelle scale di tempo turbolento nella gamma kHz.
PIV determina un campo di velocità rilevando il movimento medio di gruppi di particelle da una coppia di immagini che sono separati da un ritardo di tempo noto. Ogni immagine è divisa in una griglia di finestre di interrogazione regolarmente spaziati. La dimensione più comune finestra di interrogazione è di 32 x 32 pixel. Un algoritmo calcola la funzione di cross-correlazione per tutte le finestre di interrogazione, risultante in un vettore di spostamento per ogni finestra di interrogazione e quindi produce una griglia regolare di vettori. Dividendo il campo vettore spostamento dal ritardo determina poi il campo vettoriale della velocità.
Quando si pianifica misure PIV è importante rendersi conto che in genere la scelta di impostazioni sperimentali è un compromesso tra esigenze contrastanti. In altre parole, l'esperimentocondizioni mentali devono essere attentamente pianificato per catturare gli aspetti del flusso che sono di importanza per lo studio a mano. I libri di Raffel et al. 1 e Adrian e Westerweel 2 forniscono eccellenti discussioni approfondite di questi vincoli. Qui si evidenziano diversi che sono più critici nel contesto attuale.
La scelta del campo di vista (FOV) imposterà il punto di partenza per la selezione dei parametri qui. Il numero di pixel sul chip della camera determina quindi la risoluzione spaziale e il numero di vettori che sono ottenuti, supponendo che si sceglie di utilizzare dimensioni della finestra di interrogazione di 32 x 32 pixel, spesso con una sovrapposizione del 50% durante la procedura di cross-correlazione. Una densità di semina di 8-10 particelle per finestra di interrogazione è generalmente voluta per aiutare la funzione di cross-correlazione. Tuttavia, ci sono algoritmi speciali, come particelle di inseguimento velocimetry (PTV) e approcci di correlazione medie nel tempo, che potrebberoessere utilizzato per affrontare situazioni con bassa densità di semina (1-3 particelle / finestra di interrogazione), come è il caso con l'imaging in prossimità di superfici. Si noti che i gradienti di velocità all'interno di ogni finestra di interrogazione devono essere piccole per evitare una polarizzazione nel vettore rappresentante risultante per quella finestra.
Un consolidato regola del pollice è che gli spostamenti delle particelle tra il primo e il secondo telaio non dovrebbe superare 8 pixel (¼ della dimensione della finestra di interrogazione) per ridurre il numero di perdite di accoppiamento (perdita di immagini di particelle all'interno della finestra di interrogazione dal primo fotogramma al secondo frame) per la correlazione. Come risultato, il tempo tra i due impulsi laser consecutivi (dt) deve essere adattato di conseguenza. Tuttavia, la riduzione dt sotto dell'equivalente di spostamenti di 8 pixel ridurrà la gamma dinamica di velocità perché il limite di risoluzione estremità inferiore è dell'ordine di 0,1 spostamento di pixel.
Simile al dislocamento 8-pixel well'ambito e il piano dell'immagine, le particelle più alta velocità non deve attraversare più di ¼ dello spessore foglio leggero, sempre per ridurre il numero di perdite di accoppiamento. Poiché il ritardo di tempo tra i due impulsi laser viene utilizzato per garantire le migliori correlazioni all'interno del piano foglio leggero, lo spessore della lamiera è una variabile in questo contesto. Mentre l'uniformità della intensità della luce non è così critica come lo è per misurazioni di intensità-based come planare fluorescenza indotta da laser di imaging 3, un profilo fascio top-hat vicino aiuta PIV qualità, specialmente per immagini a risoluzione più elevata.
In generale, alcune ipotesi sulla natura del flusso in esame può essere utilizzato come punto di partenza nella scelta dei parametri sperimentali. Quindi, potrebbero essere necessari esperimenti esplorativi per raffinare le impostazioni.
Qui si descrive come impostare un esperimento PIV che consente di effettuare misure di imaging di frame rate elevati dei due velocità componenti con risoluzione spaziale, che è sufficiente per risolvere strutture di strato limite. Ciò si ottiene con l'uso di un elevato tasso di ripetizione TEM-00 pompato a diodi laser a stato solido, un microscopio a lunga distanza, e una fotocamera telaio alto tasso CMOS. Sono inclusi anche alcuni dettagli sulla rappresentazione in prossimità di superfici.
Protocol
Representative Results
Discussion
Come con qualsiasi tecnica di misurazione del flusso ottico, la pianificazione della configurazione di alta velocità velocimetria immagini di particelle (PIV) richiede la valutazione di vincoli e la valutazione dei migliori compromessi per l'attività di misura a portata di mano. La scelta di ingrandimento dell'immagine, frame rate, proprietà del foglio laser, e algoritmi di analisi dipendono dettagli del flusso in fase di studio. Se necessario, misure esplorative devono essere condotte per identificare le impostazioni dei parametri per le misurazioni ad alta fedeltà.
Questo articolo descrive la procedura generale e di alcuni risultati di esempio per alta velocità PIV per studiare lo strato limite di un flusso lungo un piatto piano. Una sequenza di immagini 500 è stato registrato a 5 kHz. Un microscopio a lunga distanza è stato utilizzato per ottenere un x 1.8 mm 2 campo di vista 2.4 situato alla superficie della piastra. Illuminazione di alta qualità delle goccioline di olio di semi è stato ottenuto con un fascio da un pulsato pompato a diodo laser a stato solido che è stato espanso in un sh luceEET utilizzando un omogeneizzatore fascio. Il fascio omogeneizzatore contiene un array di microlenti fatto di piccole lenti cilindriche e un ulteriore, telescopio integrato. La matrice di micro-obiettivo amplia il fascio circolare nella direzione verticale suddividendo il fascio in ingresso in beamlets. Allora la seguente telescopio sovrappone i piccoli fasci di creare un foglio leggero con una distribuzione di intensità uniforme della luce nel piano normale foglio leggero alla propagazione del fascio. Le immagini sono state elaborate utilizzando un algoritmo di cross-correlazione PIV. Va notato che un raggio omogeneizzato è utile, specialmente in presenza di superfici, ma non è fondamentale per l'applicazione qui descritta.
Il metodo descritto in questa procedura consente non intrusivi ad alta risoluzione, indagini ad alta velocità dei flussi utilizzando algoritmi di correlazione robusti. I vantaggi principali di questa alta risoluzione, la tecnica di misurazione ad alta velocità sono ad alta risoluzione spaziale e temporale e la capacità di identificare e rintracciarel'evoluzione di strutture all'interno del flusso. Utilizzando queste tecniche, Alharbi 6 e Jainski et al. 8 hanno dimostrato la capacità di visualizzare e monitorare strutture vorticose all'interno dello strato limite di un motore a combustione interna. Queste caratteristiche chiave consentono indagini sulla struttura e la dinamica dei flussi altamente transitori. Inoltre, PIV possono essere espanse oltre l'bidimensionale, bicomponente (2D-2C) campi di velocità (come descritto qui) per risolvere 3-componenti (3C) in un piano (stereo-PIV) e in un volume (PIV tomografica , scansione PIV, olografica PIV). Ulteriormente, PIV può essere implementato con altre tecniche come planare fluorescenza indotta da laser (PLIF), filtrata diffusione di Rayleigh (FRS), e fosfori termografiche per realizzare misurazioni 2D simultanee di velocità e altri scalari (temperatura, concentrazione di specie, i rapporti di equivalenza) 11 -14. Questi metodi ottici, laser-based possono essere applicati direttamente ad indagare massa eprocessi di scambio di energia in molte applicazioni, come il quasi parete flussi in un motore a combustione interna.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo materiale si basa su lavori sostenuta dalla US National Science Foundation sotto Grant No. CBET-1032930 e il lavoro svolto presso l'Università di Quantitative Laser Diagnostics Laboratory della Michigan.
Materials
| Name of Equipment | Company | Model | 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 |
Riferimenti
- Raffel, M. . Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (2007).
- Adrian, R. J., Westerweel, J. . Particle image velocimetry. , (2011).
- Sick, V. High speed imaging in fundamental and applied combustion research. Proceedings of the Combustion Institute. 34 (2), 3509-3530 (2013).
- Prasad, A. K. Particle image velocimetry. Current Science (Bangalore). 79 (1), 51 (2000).
- Stitou, A., Riethmuller, M. L. Extension of PIV to super resolution using PTV. Measurement Science & Technology. 12 (9), 1398-1403 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- White, F. M. . Fluid mechanics. , 864 (2008).
- Pope, S. B. . Turbulent Flows. , 771 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
