Méthodes de mesure de l'orientation et de rotation Taux de particules dans Turbulence 3D-imprimés
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
Les méthodes expérimentales sont présentées pour mesurer le mouvement des particules anisotropes de rotation et de translation dans les écoulements turbulents. La technologie d'impression 3D est utilisé pour fabriquer des particules avec bras minces connectés à un centre commun. Formes explorées sont des croix (deux barres perpendiculaires), vérins (trois barres perpendiculaires), triades (trois tiges en triangle symétrie plane), et tétrades (quatre armes dans la symétrie tétraédrique). Des procédés de production de l'ordre de 10000 particules par fluorescence teints sont décrits. Les mesures de résolution temporelle de leur orientation et la vitesse de rotation du corps solide sont obtenus à partir de quatre vidéos synchronisées de leur mouvement dans un écoulement turbulent entre oscillant grilles avec R λ = 91. Dans ce relativement faible Reynolds flux de nombre, les particules advectées sont assez petits qu'ils se rapprochent de particules de traceur ellipsoïdales. Nous présentons les résultats des trajectoires en temps résolu en 3D de la position et l'orientation des particulesainsi que des mesures de leur taux de rotation.
Introduction
Dans une publication récente, nous avons introduit l'utilisation de particules fabriqués à partir de multiples bras minces pour mesurer le mouvement des particules de rotation dans la turbulence 1. Ces particules peuvent être fabriquées en utilisant des imprimantes 3D, et il est possible de mesurer avec précision leur position, l'orientation, et la vitesse de rotation à l'aide de plusieurs caméras. L' utilisation d' outils de la théorie du corps mince, il peut être démontré que ces particules ont des ellipsoïdes efficaces 2 correspondant, et les mouvements de ces particules de rotation sont identiques à celles de leurs ellipsoïdes efficaces respectives. Les particules avec bras symétriques de longueur égale tournent comme des sphères. Une telle particule est un vérin, qui a trois branches mutuellement perpendiculaires attachés à son centre. Ajuster les longueurs relatives des bras d'un vérin peut former une particule équivalente à une ellipsoïde à trois axes. Si la longueur d'un bras est fixé égal à zéro, ce qui crée une croix, dont l'ellipsoïde équivalent est un disque. Les particules en mincesles bras prennent une petite fraction du volume solide de leurs homologues solides ellipsoïdales. En conséquence, ils sédimentent plus lentement, ce qui les rend plus facile à match de densité. Ceci permet l'étude des particules beaucoup plus grandes que ce qui est idéal avec des particules ellipsoïdales solides. En outre, l'imagerie peut être effectuée à des concentrations de particules beaucoup plus élevées, car les particules bloquent une plus petite fraction de la lumière provenant d'autres particules.
Dans cet article, les méthodes de fabrication et le suivi des particules de 3D-imprimés sont documentés. Outils pour suivre le mouvement de translation des particules sphériques à partir de positions de particules vus par plusieurs caméras ont été développés par plusieurs groupes 3,4. Parsa et al. 5 a étendu cette approche pour suivre des tiges en utilisant la position et l' orientation des tiges vues par plusieurs caméras. Ici, nous présentons des procédés de fabrication des particules d'une grande variété de formes et de reconstruire leurs orientations 3D. Cette offre ee possibilité d'étendre le suivi 3D de particules de formes complexes à un large éventail de nouvelles applications.
Cette technique a un grand potentiel de développement en raison de la large gamme de formes de particules qui peut être conçu. Beaucoup de ces formes ont des applications directes dans les flux environnementaux, où le plancton, les graines et les cristaux de glace viennent dans une vaste gamme de formes. Les connexions entre les rotations de particules et des propriétés à petite échelle fondamentaux des écoulements turbulents 6 suggèrent que l' étude des rotations de ces particules offre de nouvelles façons de regarder le processus en cascade turbulent.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les mesures de la vorticité et la rotation des particules dans l'écoulement de fluide turbulent ont longtemps été reconnus comme des objectifs importants en mécanique des fluides expérimentaux. La rotation du corps solide de petites sphères en turbulence est égale à la moitié du tourbillon de fluide, mais la symétrie de rotation de sphères a une mesure directe de leur rotation difficile corps solide. Traditionnellement, le tourbillon de fluide a été mesurée à l' aide complexe, multi-capteur, à f…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions Susantha Wijesinghe qui a conçu et construit le système de compression d'image que nous utilisons. Nous reconnaissons le soutien de la NSF subvention DMR-1208990.
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 |
Riferimenti
- Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence. New J. Phys. 16, 102001 (2014).
- Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).
- Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).
- Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid. Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501 (2012).
- Parsa, S., Voth, G. Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence. Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501 (2014).
- Tsai, R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).
- Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence. Phys. Fluids. 22 (1), 015107 (2010).
- Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. Experimental study of relative, turbulent diffusion. RISO Internal Report. , (1999).
- Chan, K., Stich, D., Voth, G. Real-time image compression for high-speed particle tracking. Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704 (2007).
- Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. . Classical Mechanics, 3rd Edition. , 134-180 (2002).
- Parsa, S. . Rotational dynamics of rod particles in fluid flows. , (2013).
- Wijesinghe, S. . Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence. , (2012).
- Wallace, J., Foss, J. The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows. Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).
- Su, L., Dahm, W. Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors. Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).
- Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow. J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).
- Frish, M., Webb, W. Direct measurement of vorticity by optical probe. J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).
- Zimmerman, R., et al. Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906 (2011).
- Zimmerman, R., et al. Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow. Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501 (2011).
- Klein, S., Gibert, M. a. t. h. i. e. u., Bérut, A., Bodenschatz, E. Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow. Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).
- Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles. J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).
