Los métodos para medir la orientación y rotación Tasa de partículas en la turbulencia impresa en 3D
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
Los métodos experimentales se presentan para medir el movimiento de rotación y de traslación de partículas anisotrópicas en flujos de fluido turbulentos. tecnología de impresión 3D se utiliza para la fabricación de partículas con brazos delgados conectados a un centro común. Formas exploradas son cruces (dos barras perpendiculares), gatos (tres varillas perpendiculares), tríadas (tres barras en simetría plana triangular), y tétradas (cuatro brazos en la simetría tetraédrica). Se describen métodos para la producción del orden de 10.000 partículas por fluorescencia teñidos. Mediciones con resolución temporal de su orientación y la velocidad de rotación de cuerpo sólido se obtienen a partir de cuatro vídeos sincronizados de su movimiento en un flujo turbulento entre las rejillas oscilantes con R λ = 91. En este flujo del número relativamente bajo de Reynolds, las partículas son lo suficientemente pequeñas advectada que se aproximan las partículas trazadoras elipsoidales. Se presentan los resultados de las trayectorias 3D con resolución temporal de la posición y la orientación de las partículasasí como mediciones de sus velocidades de rotación.
Introduction
En una publicación reciente, se introdujo el uso de partículas hechas de múltiples brazos delgados para medir el movimiento de rotación de las partículas en la turbulencia 1. Estas partículas se pueden fabricar utilizando impresoras 3D, y es posible medir con precisión su posición, la orientación y la velocidad de rotación el uso de múltiples cámaras. El uso de herramientas de la teoría de cuerpo delgado, se puede demostrar que estas partículas han elipsoides eficaces 2 correspondiente, y los movimientos de rotación de estas partículas son idénticas a las de sus respectivos elipsoides eficaces. Las partículas con brazos simétricos de igual longitud giran como esferas. Una de tales partículas es un gato, que tiene tres brazos perpendiculares entre sí unidos en su centro. Ajuste de las longitudes relativas de los brazos de un conector puede formar una partícula equivalente a cualquier elipsoide tri-axial. Si la longitud de un brazo se fija igual a cero, esto crea una cruz, cuyo elipsoide equivalente es un disco. Las partículas hechas de delgadasbrazos ocupan una pequeña fracción del volumen sólido de sus homólogos elipsoidales sólidos. Como resultado, se sedimentan más lentamente, lo que facilita su partido densidad. Esto permite que el estudio de las partículas mucho más grandes que es conveniente con partículas sólidas elipsoidales. Además, las imágenes se puede realizar a concentraciones de partículas mucho más altos debido a que las partículas bloquean una fracción más pequeña de la luz de otras partículas.
En este trabajo, se documentan los métodos para la fabricación y el rastreo de partículas 3D-impreso. Herramientas para el seguimiento de el movimiento de traslación de partículas esféricas a partir de las posiciones de partículas, como se ve por varias cámaras han sido desarrolladas por varios grupos 3,4. Parsa et al. 5 extendió este enfoque para realizar un seguimiento de barras utilizando la posición y orientación de las varillas vistos por varias cámaras. A continuación, presentamos los métodos para la fabricación de partículas de una amplia variedad de formas y la reconstrucción de sus orientaciones 3D. Esto ofrece THe posibilidad de ampliar seguimiento 3D de partículas con formas complejas a una amplia gama de nuevas aplicaciones.
Esta técnica tiene un gran potencial para un mayor desarrollo debido a la amplia gama de formas de partícula que puede ser diseñado. Muchas de estas formas tienen una aplicación directa en los flujos ambientales, donde el plancton, las semillas y los cristales de hielo vienen en una gran variedad de formas. Las conexiones entre las rotaciones de partículas y propiedades fundamentales a pequeña escala de los flujos turbulentos 6 sugieren que el estudio de las rotaciones de estas partículas proporciona nuevas formas de ver el proceso en cascada turbulenta.
Protocol
Representative Results
Discussion
Las mediciones de la vorticidad y la rotación de las partículas en el flujo de fluido turbulento han sido reconocidos como los objetivos importantes de la mecánica de fluidos experimentales. La rotación de cuerpo sólido de pequeñas esferas de la turbulencia es igual a la mitad de la vorticidad del fluido, pero la simetría de rotación de esferas ha hecho la medición directa de su rotación de cuerpo sólido difícil. Tradicionalmente, la vorticidad del fluido se ha medido utilizando compleja, de múltiples senso…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Susantha Wijesinghe que diseñó y construyó el sistema de compresión de imágenes que utilizamos. Reconocemos el apoyo de la subvención NSF 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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