תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

תזרימי סילון סוערים נמצאים בכל מקום יישומים הנדסיים. אפיון מפורט של תזרים כזה הוא חיוני במגוון רחב של בעיות מעשיות פורשות ממערכות פריקות סביבתית בקנה מידה גדולה להתקני מייקרו בקנה מידה אלקטרוניים. בגלל השפעתו על מספר רחב של יישומים, תזרימי סילון נחקרו לעומק ^{1 – 4.} כמה שיטות ניסיוניות, כולל Hotwire anemometry ^{4 – 8,} לייזר דופלר velocimetry (LDV) ^{4, 9 – 12,} ו velocimetry תמונה החלקיקים (PIV) ^{12 – 16,} שימשו לאפיין סילון זורם במגוון רחב של מספרים ריינולדס הגבול תנאים. לאחרונה, כמה מחקרים נעשו באמצעות 3D-PTV ללמוד ממשק הסוער / הלא הסוערים של סילון זורם ^{17, 18.} 3D-PTV היא טכניקה במיוחד מתאימה לתיאור fi המורכב הסוערשדות מנקודת מבט שונה. היא מאפשרת שחזור של מסלולי החלקיקים בתוך נפח בתוך מסגרת לגרנג של התייחסות באמצעות הסטריאוסקופיה רב להציג. הטכניקה הוצגה לראשונה על ידי צ'אנג ¹⁹ פיתוח נוסף על ידי Racca ו דיואי ^20. מאז, שיפורים רבים נעשו על אלגוריתם 3D-PTV והתקנת ניסיון של ^{21 – 24.} עם הישגים אלה עבודות קודמות, המערכת שמשה בהצלחה ללמוד תופעות שונות נוזלות כמו ותנועה חלקה בקנה מידה גדולה בתחום של 4 MX 2 MX 2 מ ^'25, שדה זרימת אוויר מקורה ^26, pulsatile זורם ²⁷ ודם אב עורקי תזרים ²⁸ .

עיקרון העבודה של מדידת 3D-PTV מורכב הגדרת מערכת לאיסוף וניתוח נתונים, הקלטה / טרום עיבוד, כיול, התכתבויות 3D, מעקב זמני שלאחר עיבוד. כיול מדויק מאפשר איתור מדויק של מיקום חלקיקיםים. ההתכתבות של החלקיקים זוהו יותר משלושה נופי תמונה מאפשרת לבנייה מחדש של עמדת חלקיקי 3D מבוססת על גיאומטרית epipolar. הצמדה ממסגר תמונה ברציפות לגרום מעקב זמני המגדיר את ים מסלולי חלקיקים (t). אופטימיזציה של מערכת 3D-PTV חיוני על מנת למקסם את הסיכוי של עקיבות רב-חלקיק.

צעד הראשון של אופטימיזציה הוא לרכוש מערכת לאיסוף וניתוח נתונים מתאימה כוללים מצלמות מהירות גבוהה, מקור תאורה ותכונות של חלקיקי זריעה. החלטת המצלמה יחד עם הגודל של נפח החקירה מגדירה את גודל פיקסל, ולכן גודל חלקיקי זריעת הנדרש, אשר צריך להיות גדולים יותר מאשר פיקסל בודד. Centroids של חלקיקים זוהו נאמד עם תת פיקסלים דיוק לפי המיקום הממוצע של פיקסלים חלקיקים המשוקללים לפי בהירות ^21. קצב הפריימים של המצלמה מקרוב associatאד עם מספר ריינולדס ואת היכולת לקשר חלקיקים זוהו. קצב פריימים גבוה מאפשר לפתרון תזרים מהר או מספר גדול יותר של חלקיקים מאז המעקב הופך להיות קשה יותר כאשר התזוזה מתכוון בין תמונות חורגת ההפרדה הממוצעת של החלקיקים.

מהירות צמצם, צמצם ורגישות הם שלושה גורמים שיש להביא בחשבון את לכידת התמונה. מהירות צמצם צריכה להיות מהירה מספיק כדי למזער טשטוש סביב חלקיק, אשר מקטין את אי הוודאות של עמדת centroid החלקיקים. צמצם מצלמה צריך להיות מותאם עומק השדה של נפח החקירה לצמצם את ההסתברות לגילוי חלקיקים מחוץ הנפח. מאז הרגישות המרבית של מצלמה מקובעת, כמו עליות מסגרת דולר, האור הדרוש כדי להאיר את החלקיקים צריכים להגדיל בהתאם. בניגוד PIV, הגדרות אופטיות מורכבות ולייזרי הספק גבוה אינן נדרשים אך ורק 3D-PTV, כל עוד מקור האור הוא מספיק סקאטאפריקניות מהחלקיקים נותבו למצלמה. נורות LED או הלוגן רציף הן אפשרויות טובות חסכונית העוקפים את הצורך של סנכרון ^21.

ב -3 D-PTV, כמו שיטות מדידת זרימה אופטית אחרות, מהירויות חלקיקים נותבו הנחה הוא להיות מהירות הנוזל המקומית המיידית ^29. עם זאת, זה רק במקרה של קליעים נותבים אידיאליים של קוטר null אינרציה; חלקיקים נותבו צריכים להיות גדולים מספיק כדי לנפול בפח על ידי מצלמה. הנאמנות של חלקיק סופי יכול להיקבע על ידי _t S מספר סטוקס, כלומר היחס של הסקאלה זמן הרפיה של חלקיקים ולוח הזמנים של מבנים הסוערים של עניין. באופן כללי, S _T צריך להיות קטן יותר באופן משמעותי מאשר 1. _t S ≤0.1 שגיאות מעקב תזרים הם מתחת ל -1% ^30. דיון מעמיק ניתן למצוא מיי ואח ^{29 -. 31} </sup>. גודל חלקיקים מומלץ עבור ניסוי 3D-PTV משתנה בהתאם למקור האור רגיש מצלמה. עם הלוגן או נורות LED כמקורות תאורה, חלקיקים גדולים יותר יחסית משמשים (למשל 50-200 מיקרומטר) ^32, ואילו חלקיקים קטנים (למשל 1-50 מיקרומטר) ^{33, 34} ניתן להשתמש עם לייזר בהספק גבוה (למשל 80-100 ווטס לייזר CW). חלקיקים עם רפלקטיביות גבוהה עבור אור באורך גל מסוים, כמו כסף מצופה תחת אור הלוגן, יכול להגביר את חותמם לתמונה. צפיפות הזריעה היא עוד פרמטר חשוב עבור מדידה 3D-PTV מוצלחת. חלקיקים מעטים לגרום למספר הנמוך של מסלולים, תוך מספר מוגזם של חלקיקים לגרום אי בהיר בהקמת תכתובות ומעקב אחר. בהירויות בהקמת התכתבויות כוללות חלקיקים חופפים באיתור מועמדים מרובים לאורך קו epipolar המוגדר. בתהליך המעקב, העמימות עקב seedin גבוהה צפיפות g היא התרחשה בגלל ההפרדה הקצרה יחסית הממוצעת של חלקיקים.

הצעד השני הוא הגדרות אופטימליות בהקלטה / טרום עיבוד כדי לשפר את איכות התמונה. הגדרות צילום, כגון רווח & רמה שחורה (G & B), ממלא תפקיד חשוב בשיפור איכות התמונה. רמת שחור מגדירה את רמת הבהירות בחלק החשוך ביותר של תמונה, ואילו רווח מגביר את הבהירות של תמונה. שינויים קלים של רמות G & B יכולים להשפיע על הסיכוי של עקיבות משמעותיות. למעשה, גבוה G & B עשוי יתר להאיר תמונה ולבסוף לפגוע חיישן המצלמה. כדי להמחיש זאת, ההשפעה של רמות G & B על שחזור זרימת נבחנת במאמר זה. בשלב טרום העיבוד, התמונות מסוננות עם מסנן גבוה לעבור להדגיש פיזור אור מחלקיקים. גודל פיקסל ו גוני האפור מותאמים על מנת למקסם את גילוי חלקיקים בתוך נפח החקירה.

t "> שלב שלישי של אופטימיזציה הוא כיול מדויק של ההדמיה סטריאוסקופית, אשר מבוססת על גיאומטרית epipolar, פרמטרי מצלמה (אורך מוקד, נקודת עיקרון, ומקדמי עיוות), ושינויים קדם שבירים. תהליך זה הוא הכרחי על מנת למזער את 3D שגיאת השחזור של נקודות יעד fiducial. גיאומטרית Epipolar משתמשת מרחקים יחסיים (בין תמונה ועוצמת קול חקירה) וזווית מוטה מתמונת היעד. שינויים שבירים לאורך תצוגת המצלמה דרך היקף החקירה יכולים להילקח בחשבון מבוסס על ההליך של Mass et al. ^21. בניסוי זה, מבנה 3D מדרגות דמויות עם נקודות יעד מופצות באופן קבוע משמש כמטרה.

בניסוי 3D-PTV, אם כי רק שתי תמונות נדרשות לקבוע עמדת חלקיקי 3D, בדרך כלל יותר מצלמות משמשות להפחתת בהירויות ^21. חלופת setups היקר עם מצלמות מהירות גבוהה מרובות היא viמפצל EW, המוצע על ידי ואח Hoyer. ³⁵ לשימושם של 3D-PTV ויישומי לאחרונה על ידי Gulean et al. ²⁸ עבור יישומים ביו. ספליטר הנוף מורכב מראה בצורת פירמידה (hereon מראה ראשוני) וארבעה מראות מתכווננות (hereon מראה משנית). בעבודה זו, מפצל ארבעה להציג מצלמה אחת שמשו לחקות את ההדמיה סטריאוסקופית מארבע מצלמות. המערכת משמשת לאפיין את שדה הזרימה ביניים של מטוס צינור בקוטר, ד _h = 1 ס"מ ו Re ≈ 7,000 מתוך לגרנג ו Eulerian מסגרות בסביבות 14.5-18.5 בקטרים ​​במורד מהראשית סילון.