Alta velocidade da partícula Velocimetry Imagem perto de superfícies
Summary
Um procedimento para o estudo de fluxos transitórios perto das fronteiras com alta resolução, de alta velocidade velocimetria por imagem de partículas (PIV) é descrito aqui. PIV é uma técnica de medição não-intrusiva aplicável a qualquer fluxo opticamente acessíveis por meio da otimização vários constrangimentos de parâmetros, tais como as propriedades de imagem e gravação, a folha de propriedades do laser, e algoritmos de análise.
Abstract
Fluxos multi-dimensionais e transitórios desempenham um papel fundamental em muitas áreas da ciência, engenharia e ciências da saúde, mas muitas vezes não são bem compreendidos. A natureza complexa desses fluxos pode ser estudada usando velocimetria por imagem de partículas (PIV), uma técnica de imagem a laser para os fluxos opticamente acessíveis. Embora existam diversas formas de PIV que se estendem para além da técnica planar inicial da capacidade de medição de velocidade de dois componentes, o sistema de PIV básico consiste de uma fonte de luz (laser), uma câmara, as partículas de marcadores, e algoritmos de análise. Os parâmetros de imagem e gravação, a fonte de luz, e os algoritmos são ajustados para otimizar a gravação para o fluxo de interesse e obter dados de velocidade válidos.
Comum PIV investigações medida velocidades de dois componentes em um avião em alguns quadros por segundo. Medições de alta taxa de quadros (> 1 kHz) No entanto, os recentes desenvolvimentos na instrumentação têm facilitado capazes de resolver transiçãoent flui com alta resolução temporal. Portanto, as medidas de alta taxa de quadros habilitados têm investigações sobre a evolução da estrutura e da dinâmica dos fluxos altamente transientes. Estas investigações desempenham um papel fundamental na compreensão dos fundamentos da física de fluxos complexos.
Uma descrição detalhada para a realização de alta resolução, de alta velocidade PIV planar para estudar um fluxo transiente perto da superfície de uma placa plana é aqui apresentada. Detalhes para ajustar as restrições de parâmetro, como imagem e propriedades de gravação, a folha de propriedades do laser, e processamento de algoritmos para se adaptar PIV para qualquer fluxo de juros estão incluídos.
Introduction
Medições multi-dimensional da velocidade e da capacidade de controlar o fluxo de campo em tempo, fornecer informações críticas em muitas áreas da ciência, engenharia e ciências da saúde. Entre as técnicas mais utilizadas para imagens de fluxo é velocimetria por imagem de partículas (PIV). Inicialmente estabelecida como uma técnica planar que instantâneos medidos das duas componentes no plano de velocidade, as variantes de PIV foram desenvolvidos para proporcionar capacidades de medição de três componentes e volumétrico. Todos os sistemas de PIV consistir de partículas de marcadores, uma ou mais fontes de luz, e uma ou mais câmaras. As partículas sólidas ou gotículas são geralmente usados na forma de partículas mas traçadores bolhas inerentes ao fluxo também pode ser utilizado como partículas de marcadores. A câmara (s), em seguida (s) imagem ou dispersa a luz emitida a partir das partículas traçadores após serem irradiados pela fonte de luz (es). Entre a ampla gama de variações de 1,2 a mais comum captura de dois componentes de velocidade em um avião em um ratoe de alguns fotogramas por segundo. Mais recentemente, novos instrumentos permitiu medições de alta taxa de quadros (> 1 kHz) que seguem o fluxo em escalas de tempo de turbulência na faixa de kHz.
PIV determina um campo de velocidade, acompanhando o movimento médio de grupos de partículas a partir de um par de imagens que são separados por um intervalo de tempo conhecido. Cada imagem é dividida em uma grade de janelas de interrogação regularmente espaçados. O tamanho mais comum janela interrogatório é de 32 x 32 pixels. Um algoritmo calcula a função de correlação cruzada para todas as janelas de interrogatório, resultando em um vetor de deslocamento por janela interrogatório e, portanto, produz uma grade regular de vetores. Dividindo campo vetor deslocamento pelo intervalo de tempo, então, determina o campo de vetores velocidade.
Ao planejar as medições PIV é importante perceber que, normalmente, a escolha de configurações experimentais é um compromisso entre as exigências conflitantes. Em outras palavras, a expericondições mentais precisam ser cuidadosamente planejado para capturar os aspectos do fluxo que são de importância para o estudo em questão. Os livros de Raffel et al. 1 e Adrian e Westerweel 2 proporcionam excelentes discussões aprofundadas destas restrições. Aqui destacamos alguns que são mais críticos no contexto atual.
A escolha do campo de visão (FOV) irá definir o ponto de partida para a seleção de parâmetro aqui. O número de pixels no chip da câmera, então, determina a resolução espacial eo número de vetores que são obtidos, assumindo que se escolhe para usar tamanhos de janela de interrogatório de 32 x 32 pixels, frequentemente com uma sobreposição de 50% durante o procedimento de correlação cruzada. A densidade de sementeira de 8-10 partículas por janela de interrogação é geralmente desejado para auxiliar a função de correlação cruzada. No entanto, existem algoritmos especiais, tais como partículas de velocimetria de seguimento (PTV) e abordagens de correlação por média de tempo, que podeser utilizado para tratar situações de baixa densidade de sementeira (1-3 partículas / janela de interrogação), como é o caso com a imagem perto das superfícies. Note-se que os gradientes de velocidade dentro de cada janela de interrogação deve ser pequeno para evitar um viés no vetor resultante representante para essa janela.
Uma regra de polegar é estabelecido que os deslocamentos de partículas entre a primeira e segunda estrutura não deve exceder os 8 pixels (¼ do tamanho da janela de interrogação) para reduzir o número de perdas de emparelhamento (perda de imagens das partículas dentro da janela de interrogação a partir da primeira quadro para o segundo quadro) para a correlação. Como resultado, o tempo entre os dois impulsos de laser consecutivos (dT) não tem de ser ajustada em conformidade. No entanto, reduzir dt abaixo do equivalente de deslocamentos 8-pixel irá reduzir a gama dinâmica, porque a velocidade limite de resolução extremidade inferior é da ordem de 0,1 pixel de deslocamento.
Semelhante ao 8 pixels deslocamento wentro o plano de imagem, as maiores partículas de velocidade não deve atravessar mais de ¼ da espessura da folha de luz, de novo para reduzir o número de perdas de emparelhamento. Uma vez que o atraso de tempo entre os dois impulsos de laser é usado para garantir as melhores correlações dentro do plano da folha de luz, a espessura da folha é uma variável neste contexto. Embora a uniformidade da intensidade de luz não é tão crítico como para as medições baseadas em intensidade, tais como planar fluorescência induzida por laser de imagem 3, o perfil do feixe próximo cartola ajuda a qualidade de PIV, especialmente para imagens de alta resolução.
Em geral, algumas hipóteses sobre a natureza do fluxo em estudo podem ser utilizados como um ponto de partida para a selecção de parâmetros experimentais. Então, experimentos exploratórios pode ser necessária para refinar as definições.
Aqui nós descrevemos como configurar uma experiência PIV que permite medições de imagem de alta taxa de quadros de duas velocidades components com resolução espacial que é adequada para resolver estruturas camada limite. Isto é conseguido com o uso de uma alta taxa de repetição MET 00 diodo de laser de estado sólido, de um microscópio de longa distância, e uma câmara de alta taxa de moldura CMOS. Alguns detalhes sobre a imagem perto de superfícies também estão incluídos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Como acontece com qualquer técnica de medição de fluxo óptico, o planejamento da instalação de alta velocidade velocimetria por imagem de partículas (PIV) requer avaliação de restrições e avaliação dos melhores compromissos para a tarefa de medição na mão. A seleção de ampliação da imagem, taxa de quadros, as propriedades de chapas a laser, e algoritmos de análise dependem detalhes do fluxo em estudo. Caso seja necessário, as medições experimentais devem ser conduzidos para identificar parâmetros para medições de alta fidelidade.
Este artigo descreve o procedimento geral, e alguns exemplos de resultados de PIV de alta velocidade para estudar a camada de fronteira de um fluxo ao longo de uma placa plana. Uma seqüência de 500 imagens foi registrada em 5 kHz. Um microscópio de longa distância foi utilizado para alcançar uma x 1.8 mm 2 de campo de visão de 2,4 localizado na superfície da placa. Iluminação das gotículas de óleo de semente de alta qualidade foi conseguida com um feixe de um diodo de pulsada laser de estado sólido que foi expandido para um sh luzeet utilizando um homogeneizador de feixe. O feixe homogeneizador contém uma matriz de micro-lentes composta de pequenas lentes cilíndricas e um telescópio adicional integrado. A matriz de micro-lentes expande o feixe de circular na direcção vertical pela divisão do feixe de entrada em beamlets. Em seguida, o seguinte telescópio sobrepõe as beamlets para criar uma folha de luz com uma distribuição de intensidade de luz no mesmo plano da folha de luz normal para a propagação do feixe. As imagens foram processadas usando um algoritmo de correlação cruzada PIV. Deve notar-se que um feixe homogeneizada é útil, especialmente quando se trabalha próximo de superfícies, mas não é essencial para a aplicação aqui descrita.
O método descrito neste procedimento permite que as investigações não-intrusiva de alta resolução e de alta velocidade de fluxos usando algoritmos de correlação robustos. As principais vantagens desta técnica de medição de alta resolução, de alta velocidade são de alta resolução espacial e temporal ea capacidade de identificar e rastreara evolução de estruturas dentro do fluxo. Utilizando estas técnicas, Alharbi 6 e Jainski et ai. 8 demonstraram a capacidade de visualizar e controlar estruturas de vórtices no interior da camada de fronteira de um motor de combustão interna. Estas características-chave permitir investigações sobre a estrutura e dinâmica dos fluxos altamente transientes. Além disso, de PIV pode ser expandido para além da bi-dimensional, de dois componentes (2C-2D) campos de velocidade (como descrito aqui) para resolver de 3 componentes (3C), num plano (estéreo-PIV) e em um volume (tomográfico PIV , digitalização PIV, holográfico PIV). Além disso, de PIV pode ser implementada com outras técnicas, tais como planar fluorescência induzida por laser (PLIF), filtrou espalhamento Rayleigh (FRS), termografia e fósforo para conseguir medições simultâneas 2D de velocidade e de outros escalares (temperatura, concentração de espécies, a razão de equivalência) 11 -14. Estes métodos ópticos baseados em laser pode ser aplicado diretamente para investigar massa eprocessos de troca de energia em várias aplicações, tais como a próxima da parede flui num motor de combustão interna.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material é baseado em trabalho financiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA sob Grant No. CBET-1032930 e trabalho realizado na Universidade de Quantitative Laser Diagnóstico Laboratório de 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 |
Referências
- 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).
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