Yüzeyler Yakın yüksek hızlı Partikül imaj velosimetri
Summary
Yüksek çözünürlüklü, yüksek hızlı parçacık görüntü velosimetri (PIV) kullanarak sınırları yakınında geçici akımları incelemek için bir prosedür burada açıklanmıştır. PIV gibi görüntü ve kayıt özellikleri, lazer sac özellikleri ve analiz algoritmaları gibi birçok parametre kısıtlamaları optimize ederek herhangi bir optik erişilebilir akışı için geçerli olmayan bir müdahaleci ölçüm tekniğidir.
Abstract
Çok boyutlu ve geçici akımları bilim, mühendislik ve sağlık bilimleri birçok alanda önemli bir rol oynamaktadır ama çoğu anlaşılamamıştır. Bu akımlarının karmaşık yapısı parçacık görüntü velosimetri (PIV), optik erişilebilir akışları için bir lazer tabanlı görüntüleme tekniği kullanılarak incelenebilir. PIV birçok formları orijinal düzlemsel iki bileşenli hız ölçüm yetenekleri ötesinde teknik uzatmak mevcut olsa da, temel PIV sistemi bir ışık kaynağı (lazer), bir kamera, izleyici parçacıklar ve analiz algoritmaları oluşur. Görüntüleme ve kayıt parametreleri, ışık kaynağı ve algoritmalar ilgi akışını optimize etmek için kayıt ve geçerli hız verileri elde etmek için ayarlanır.
Saniyede bir kaç kare bir düzlemde ortak PIV araştırmalar ölçü iki bileşenli hızları. Geçifl çözme yeteneğine sahip Ancak, enstrümantasyon son gelişmeler kolaylaştırmıştır yüksek kare hızı (> 1 kHz) ölçümlerient yüksek temporal çözünürlük ile akar. Bu nedenle, yüksek kare hızı ölçümleri son derece geçici akımlarının yapısı ve dinamiği evrimi üzerinde etkin soruşturma var. Bu araştırmaların karmaşık akımlarının temel fizik anlamada kritik bir rol oynamaktadır.
Düz plaka yüzeyine yakın bir geçici akış incelemek için yüksek çözünürlüklü, yüksek hızlı düzlemsel PIV gerçekleştirmek için ayrıntılı bir açıklama sunulmuştur. Bu görüntü ve kayıt özellikleri, lazer sac özellikleri olarak parametre kısıtlamaları ayarlamak ve ilgi herhangi bir akış için PIV adapte algoritmalar işlenmesi için ayrıntıları dahildir.
Introduction
Çok boyutlu hızları ölçümleri ve zaman içinde akım alanı izlemek için yeteneği bilim, mühendislik ve sağlık bilimleri birçok alanda önemli bilgi sağlar. Akış görüntüleme için en yaygın kullanılan teknikler arasında parçacık görüntü velosimetri (PIV) 'dir. Başlangıçta hız bileşenleri-düzlemde iki ölçülen anlık, PIV türevleri üç bileşenli ve hacimsel ölçüm yetenekleri sağlamak için geliştirilmiştir bir düzlemsel teknik olarak kurulmuştur. Tüm PIV sistemleri Tracer parçacıklar, bir ya da daha fazla ışık kaynağı, ve bir veya daha fazla kamera oluşur. Katı tanecikler ya da damlacıklar sık izleme parçacıklar olarak kullanılır ancak akış doğasında kabarcıkları da izleyici partiküller olarak da kullanılabilir. Kamera (lar) daha sonra görüntü (ler) dağınık ya da ışık kaynağı (ler) tarafından ışınlanmış sonra izleyici parçacıklar ışık yayılan. Varyasyonları 1,2 geniş arasında en yaygın olanı bir fare bir düzlemde iki hız bileşenleri yakalarsaniyede birkaç kare örn. Daha yakın zamanda, yeni enstrümantasyon kHz aralığında çalkantılı zaman ölçeklerinde akışını takip yüksek kare hızı ölçümleri (> 1 kHz) sağladı.
PIV bilinen bir zaman gecikmesi ile ayrılır görüntüleri, bir çift partikül gruplarının ortalama hareket izleme bir hız alanı belirler. Her bir görüntü düzenli aralıklı sorgulama pencerelerin bir tablo ayrılmıştır. En sık sorgulama pencere boyutu 32 x 32 piksel. Bir algoritma, sorgulama, tek bir pencere yer değiştirme vektörü sonuçlanan tüm pencereler için sorgulama çapraz-korelasyon fonksiyonu hesaplar ve bu vektörlerin düzenli bir ızgara üretir. Zaman gecikmesi ile yer değiştirme vektör alanı bölme sonra hız vektör alanı belirler.
PIV ölçümleri planlarken genellikle deneysel ayar seçimi çelişen gereksinimler arasında bir uzlaşma olduğunu fark etmek önemlidir. Diğer bir deyişle, deneyzihinsel koşullar dikkatle eldeki çalışma için önem taşımaktadır akış yönlerini yakalamak için planlanmış olması gerekir. Raffel ve ark. 1 ve Adrian ve Westerweel 2 ile kitap bu kısıtlamaları mükemmel derinlemesine tartışmalar sağlar. Burada bu bağlamda en önemli olduğu birçok vurgulamaktadır.
Alan-of-view (FOV) seçimi burada parametre seçimi için başlangıç noktası koyacaktır. Kamera çip piksel sayısı daha sonra sık sık çapraz korelasyon işlemi sırasında% 50 örtüşme ile 32 x 32 piksel, sorgulama pencere boyutları kullanmayı seçmiştir varsayarak, uzaysal çözünürlüğü ve elde edilen vektörlerin sayısını belirler. Sorgulama pencere başına 8-10 parçacıkların bir tohum yoğunluğu genel olarak çapraz-korelasyon fonksiyonu yardım etmek için tercih edilir. Ancak, bu tür partikül izleme velosimetri (PTV) ve zaman göre ortalama korelasyon yaklaşırken özel algoritmalar,, olduğunu olabiliryüzeyler yakın görüntüleme ile olduğu gibi düşük ekim yoğunluğu (1-3 parçacıklar / sorgulama pencere) ile durumlara yönelik olarak kullanılabilir. Her sorgulama penceresi içinde hız geçişlerini bu pencere için ortaya çıkan temsilcisi vektör bir önyargı önlemek için küçük olması gerektiğini unutmayın.
Kurulu bir kural-lecek birinci ve ikinci çerçeve arasındaki parçacık değiştirmeler eşleştirme kayıpları (ilk gelen sorgulama penceresinde parçacık görüntülerin kaybı sayısını azaltmak için 8 piksel (¼ sorgulama pencere boyutu) geçmemelidir olduğunu korelasyon için) ikinci çerçeveye çerçeve. Sonuç olarak, birbirini takip eden iki lazer darbeleri (DT) arasındaki zaman buna uygun olarak ayarlanmalıdır. Alt ucunda çözünürlük sınırı 0.1 piksel yerinden sipariş olduğundan, ancak, 8-piksel yerinden eşdeğer altında dt azaltarak hızı dinamik azaltacaktır.
8-piksel değiştirme w benzerGörüntüleme uçak ithin, en yüksek hız parçacıkların eşleştirme kayıpların sayısını azaltmak için yeniden, ışık sac kalınlığının ¼ daha fazla hareket olmamalıdır. Iki lazer darbeleri arasında gecikme süresi ışık, levha düzlemi içinde en iyi korelasyon sağlamak için kullanılır, çünkü levhanın kalınlığı bu bağlamda bir değişkendir. Işık şiddetinin tekdüzelik bu tür düzlemsel lazer kaynaklı floresan görüntüleme 3, yakın bir üst şapka ışın profil olarak yoğunluk tabanlı ölçümler için olduğu kadar önemli olmasa da özellikle yüksek çözünürlük görüntüleme için, PIV kalite yardımcı olur.
Genel olarak, incelenen akış doğası hakkında bazı varsayımlar deney parametrelerinin seçiminde bir başlangıç noktası olarak kullanılabilir. Daha sonra, keşif deneyler ayarları rafine için gerekli olabilir.
Burada iki hız compone yüksek kare hızı görüntüleme ölçümleri sağlayan bir PIV Deneme oluşturmak için nasıl açıklarsınır tabaka yapıları çözmek için yeterli uzaysal çözünürlüğü ile NTS. Bu yüksek tekrarlama oranı kullanımı ile gerçekleştirilir TEM 00 diyot pompalı katı hal lazer, bir uzun mesafe mikroskop, ve yüksek kare hızı CMOS kamera. Yüzeylere yakın görüntüleme bir kaç detay da dahildir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Herhangi bir optik akış ölçüm tekniği olduğu gibi, yüksek hızlı parçacık görüntü velosimetri (PIV) kurulum planlama kısıtlamaları değerlendirilmesi ve eldeki ölçüm görev için en iyi uzlaşma değerlendirilmesi gerekir. Görüntü büyütme, kare hızı, lazer sac özellikleri ve analiz algoritmaları seçimi çalışılan akışının ayrıntıları bağlıdır. Eğer gerekirse, keşif ölçümleri yüksek sadakat ölçümler için parametre ayarları belirlemek için yapılmalıdır.
Bu makalede, genel prosedür ve düz plaka boyunca bir akış sınır tabakası incelemek için yüksek hızlı PIV için bazı örnek sonuçlarını açıklar. 500 görüntü dizisi 5 kHz kaydedildi. Uzun mesafeli mikroskop levha yüzeyi bulunan bir 2.4 x 1.8 mm 2 alan-görünümü elde etmek için kullanılmıştır. Tohumu yağı damlacıklarının yüksek kaliteli aydınlatma hafif sh içine genişletti bir darbeli diyot pompalı katı hal lazer bir ışın ile elde edildieet bir ışın homojenizatör kullanarak. Işın homojenizatör küçük silindirik lensler ve ek, entegre teleskop oluşan bir mikro-mercek dizi içerir. Mikro lens dizisi küçük ışının bölme gelen ışın tarafından dikey yönde dairesel ışın genişletir. Daha sonra aşağıdaki teleskop ışın yayma normal ışık sayfası düzlemde eşit bir ışık yoğunluğu dağılımı ile hafif sayfası oluşturmak için küçük ışının üst üste bindirir. Görüntüler, PIV, çapraz korelasyon algoritması kullanılarak işlendi. Bu homojenleştirilmiş kiriş yüzeyi yakınında çalışırken, özellikle de yararlı olmakla birlikte, burada tarif edilen uygulama için çok önemli olmadığı not edilmelidir.
Bu işlem belirtilen yöntem sağlam korelasyon algoritmaları kullanarak akımları olmayan müdahaleci yüksek çözünürlüklü, yüksek hızlı araştırmalar sağlar. Bu yüksek çözünürlüklü, yüksek hızlı ölçüm tekniğinin en önemli avantajları yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlük ve belirlemek ve izlemek için yeteneği olanakışı içinde yapıların evrimi. Alharbi 6 ve Jainski ve arkadaşları, bu teknikleri kullanarak. 8 bir içten yanmalı motorun sınır tabakası içinde girdap yapıları görselleştirmek ve izleme yeteneği göstermiştir. Bu temel özellikleri son derece geçici akımlarının yapısı ve dinamiği üzerinde araştırmalar sağlar. Ayrıca, PIV (tomografik PIV bir uçak (stereo-PIV) ve bir hacim 3-bileşenleri (3C) çözmek için iki boyutlu, iki bileşenli (2B-2C) hız alanları (burada açıklandığı gibi) ötesinde genişletilebilir , PIV, holografik PIV) tarama. Buna ek olarak, PIV, düzlemsel lazer bağlı floresan (PLIF), süzüldü Rayleigh saçılması (FRS) ve hızı ve diğer skaler (sıcaklık, türlerin konsantrasyonunun, burada ekivalan oranları) 11 aynı anda 2B ölçümler elde etmek için termografik fosforlar gibi diğer teknikler ile hayata geçirilebilecektir -14. Bu optik, lazer bazlı yöntemler doğrudan kütle araştırmak ve uygulanabilirbu duvar yakınındaki gibi bir çok uygulama, enerji değişim işlemleri bir içten yanmalı motorun içinde akar.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu malzeme Grant No CBET-1032930 altında ABD Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen çalışma dayanmaktadır ve Michigan Sayısal Lazer Teşhis Laboratuvarı Üniversitesi'nde yapılan işe.
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 |
References
- 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).
- Prasad, A. K. Particle image velocimetry. Current Science (Bangalore). 79 (1), 51 (2000).
- Stitou, A., Riethmuller, M. L. Extension of PIV to super resolution using PTV. Measurement Science & Technology. 12 (9), 1398-1403 (2001).
- Alharbi, A. Y., Sick, V. Investigation of boundary layers in internal combustion engines using a hybrid algorithm of high speed micro-PIV and PTV. Experiments in Fluids. 49 (4), 949-959 (2010).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields. Journal of Fluids Engineering. 122 (2), 285 (2000).
- Jainski, C., Lu, L., Dreizler, A., Sick, V. High-Speed Micro Particle Image Velocimetry Studies of Boundary-Layer Flows in a Direct-Injection Engine. International Journal of Engine Research. , (2012).
- White, F. M. . Fluid mechanics. , 864 (2008).
- Pope, S. B. . Turbulent Flows. , 771 (2000).
- Most, D., Leipertz, A. Simultaneous Two-Dimensional Flow Velocity and Gas Temperature Measurements by use of a Combined Particle Image Velocimetry and Filtered Rayleigh Scattering Technique. Applied Optics. 40 (30), 5379 (2001).
- Omrane, A., Petersson, P., Aldén, M., Linne, M. A. Simultaneous 2D flow velocity and gas temperature measurements using thermographic phosphors. Applied Physics B. 92 (1), 99-102 (2008).
- Someya, S., Li, Y., Ishii, K., Okamoto, K. Combined two-dimensional velocity and temperature measurements of natural convection using a high-speed camera and temperature-sensitive particles. Experiments in Fluids. 50 (1), 65-73 (2010).
- Peterson, B., Reuss, D. L., Sick, V. High-speed imaging analysis of misfires in a spray-guided direct injection engine. Proceedings of the Combustion Institute. 33 (2), 3089-3096 (2011).
