Verfahren zur Messung der Neigung und Drehrate von 3D-gedruckten Particles in Turbulence
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
Experimentelle Methoden zur Messung der Rotations- und Translationsbewegung der anisotropen Teilchen in turbulenten Fluidströmen dargestellt. 3D-Drucktechnologie wird verwendet, Partikel mit schlanken Arme an einem gemeinsamen Zentrum verbunden herzustellen. Formen erforscht sind Kreuze (zwei senkrechten Stangen), Buchsen (drei senkrechten Stangen), Triaden (drei Stäbe in dreieckigen planaren Symmetrie) und Tetraden (vier Arme in tetraedrischer Symmetrie). Verfahren zum in der Größenordnung von 10.000 fluoreszenzgefärbten Partikeln werden beschrieben. Die zeitaufgelöste Messungen von ihrer Ausrichtung und Festkörperdrehrate von vier synchronisierten Videos ihrer Bewegung in einer turbulenten Strömung erhalten werden zwischen den Gittern mit R λ = 91. In diesem relativ niedriger Reynolds – Zahl Fluss oszilliert, sind die advektiert Partikel klein genug dass sie ellipsenförmigen Tracerpartikel nähern. Wir präsentieren Ergebnisse der zeitaufgelösten 3D Trajektorien von Position und Orientierung der Partikel alsund Messungen ihrer Drehraten.
Introduction
In einer kürzlich erschienenen Publikation haben wir die Verwendung von Partikeln aus mehreren schlanken Arme zur Messung von Drehbewegung von Teilchen in Turbulenzen 1 gemacht. Diese Partikel können mit Hilfe von 3D-Druckern hergestellt werden, und es ist möglich, genau ihre Position messen, Ausrichtung und Drehrate unter Verwendung mehrerer Kameras. Verwendung von Werkzeugen aus schlanken Körper Theorie kann gezeigt werden , dass diese Partikel zu denen ihrer jeweiligen wirksamen Ellipsoide wirksamen Ellipsoide 2 und die Drehbewegungen dieser Partikel sind identisch haben entspricht. Teilchen mit symmetrischen Armen gleicher Länge drehen wie Kugeln. Ein solches Teilchen ist eine Buchse, die drei zueinander senkrechten Armen hat in seiner Mitte angebracht ist. Einstellen der relativen Längen der Arme des Hebers kann ein Teilchen entspricht jeder dreiachsigen Ellipsoid bilden. Wenn die Länge eines Armes gleich Null gesetzt wird, entsteht ein Kreuz, dessen äquivalente Ellipsoid ist eine Scheibe. Teilchen aus slenderArme nehmen einen kleinen Teil des festen Volumen ihrer festen Ellipsoid-Pendants nach oben. Als Ergebnis sedimentieren sie langsamer, sie leichter zu Dichte Spiel zu machen. Dies ermöglicht die Untersuchung der viel größeren Teilchen als bei festen ellipsoidale Teilchen bequem ist. Zusätzlich können Bildgebung bei viel höheren Partikelkonzentrationen durchgeführt werden, da die Teilchen einen kleineren Bruchteil des Lichts von anderen Partikeln zu blockieren.
In diesem Dokument werden Verfahren zur Herstellung und Verfolgung von 3D-gedruckten Teilchen dokumentiert. Werkzeuge für die Translationsbewegung von sphärischen Teilchen aus Partikelpositionen Verfolgungs wie durch mehrere Kameras gesehen wurden von mehreren Gruppen 3,4 entwickelt. Parsa et al. 5 erweitert diesen Ansatz Stangen der von mehreren Kameras gesehen Stangen unter Verwendung der Position und Orientierung zu verfolgen. Hier stellen wir Verfahren zur Partikel einer Vielzahl von Formen Herstellung und ihre 3D-Orientierungen zu rekonstruieren. Dies bietet the Möglichkeit 3D-Tracking von Partikeln mit komplexen Formen zu einer Vielzahl von neuen Anwendungen zu erweitern.
Diese Technik hat ein großes Potenzial für die weitere Entwicklung aufgrund der Vielzahl von Partikelformen, die entworfen werden können. Viele dieser Formen haben direkte Anwendungen in der Umwelt fließt, wo Plankton, Samen und Eiskristalle von Formen in einem breiten Spektrum kommen. Die Verbindungen zwischen Partikel Drehungen und Grundklein Eigenschaften turbulenter Strömungen 6 deuten darauf hin , dass das Studium der Umdrehungen dieser Teilchen , neue Wege bei der turbulenten Kaskadenprozess zu suchen zur Verfügung stellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Messungen der Verwirbelung und die Rotation der Partikel in turbulenten Fluidstrom sind seit langem als wichtige Ziele in der experimentellen Strömungsmechanik erkannt worden. Der Festkörperdrehung von kleinen Kugeln in Turbulenzen ist gleich der Hälfte der Flüssigkeit Verwirbelung, aber die Rotationssymmetrie von Kugeln hat eine direkte Messung ihrer Festkörperrotation erschwert. Traditionell wurde die Flüssigkeit vorticity gemessen unter Verwendung komplexer, Multisensor, Hitzdraht-Sonden 14. Aber…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Susantha Wijesinghe, die entworfen und konstruiert, um das Bildkompressionssystem, das wir verwenden. Wir danken für die Unterstützung von der NSF Zuschuss 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 |
References
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