أساليب لقياس التوجيه ودوران معدل الجسيمات في الاضطرابات 3D-طباعة
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
وتعرض الطرق التجريبية لقياس الحركة الدورانية ومتعدية من الجسيمات متباين الخواص في تدفقات السوائل مضطربة. يستخدم تكنولوجيا الطباعة 3D لصنع جزيئات مع الأسلحة نحيلة اتصال في مركز مشترك. الأشكال استكشافها هي الصلبان (اثنين من قضبان عمودية)، والرافعات (ثلاثة قضبان عمودية)، الثلاثيات (ثلاثة قضبان في التماثل مستو الثلاثي)، وtetrads (أربعة أذرع في تماثل رباعي السطوح). وصفت وسائل لإنتاج بناء على أمر من 10000 الجسيمات مصبوغ fluorescently. ويتم الحصول على قياسات وقت حل ميولهم ومعدل دوران جسم صلب من أربعة أشرطة الفيديو متزامنة الحركة في تدفق المضطرب بين تتأرجح شبكات مع R λ = 91. في هذا رينولدز انخفاض تدفق نسبيا العدد، والجسيمات advected هي صغيرة بما يكفي أنها تقارب جزيئات التتبع بيضاوي. نقدم نتائج مسارات 3D وقت حل من موقف واتجاه الجزيئاتكذلك قياسات معدلات دورانها.
Introduction
في منشور صدر مؤخرا، قدمنا استخدام الجزيئات المصنوعة من الأسلحة نحيلة متعددة لقياس الحركة الدورانية من الجسيمات في الاضطرابات 1. يمكن أن تكون ملفقة هذه الجزيئات باستخدام طابعات 3D، وأنه من الممكن لقياس بدقة موقفهم، والتوجه، ومعدل دوران باستخدام كاميرات متعددة. استخدام أدوات من نظرية الجسم نحيلة، فإنه يمكن إثبات أن هذه الجسيمات قد الموافق القطع الناقص فعالة 2، وحركة دوران هذه الجسيمات مماثلة لتلك القطع الناقص فعالة لكل منهما. الجسيمات مع الأسلحة متماثل متساوية الطول تدوير مثل المجالات. واحدة من هذه الجسيمات هو جاك، الذي يضم ثلاثة الأسلحة المتعامدة تعلق في وسطها. يمكن تعديل أطوال النسبية لأحضان جاك تشكيل يعادل الجسيمات إلى أي الإهليلجي ثلاثي محوري. إذا تم تعيين طول ذراع واحدة تساوي الصفر، وهذا يخلق الصليب، الذي هو قرص الإهليلجي ما يعادلها. الجسيمات مصنوعة من رشاقةتأخذ الأسلحة تصل نسبة ضئيلة من حجم الصلبة من نظرائهم بيضاوي الصلبة الخاصة بهم. ونتيجة لذلك، فإنها الرواسب ببطء أكثر، مما يجعلها أسهل في مباراة الكثافة. وهذا يسمح للدراسة الجسيمات أكبر بكثير مما هو مريحة مع جزيئات بيضاوي الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، والتصوير لا يمكن أن يؤديها في تركيزات الجسيمات أعلى من ذلك بكثير لأن الجزيئات كتلة جزء صغير من الضوء من الجزيئات الأخرى.
في هذه الورقة، يتم توثيق أساليب لتصنيع وتتبع الجسيمات مطبوعة 3D. وقد تم تطوير أدوات لتتبع حركة متعدية من جسيمات كروية من المواقف الجسيمات كما يراها كاميرات متعددة من قبل عدة مجموعات 3،4. بارسا وآخرون. 5 بمد هذا النهج لتعقب قضبان باستخدام الموقف والتوجه للقضبان اطلعت عليها كاميرات متعددة. هنا، فإننا نقدم طرق لافتعال الجسيمات من مجموعة واسعة من الأشكال وإعادة توجهاتها 3D. وهذا يوفر عشره إمكانية لتوسيع تتبع 3D من الجزيئات ذات الأشكال المعقدة لمجموعة واسعة من التطبيقات الجديدة.
هذه التقنية لديها امكانات كبيرة لمزيد من التطوير بسبب مجموعة واسعة من الأشكال الجسيمات التي يمكن تصميمها. العديد من هذه الأشكال أن تكون لها تطبيقات مباشرة في التدفقات البيئية، حيث العوالق، والبذور، وبلورات الثلج يأتي في مجموعة واسعة من الأشكال. اتصالات بين دورات الجسيمات والممتلكات على نطاق صغير الأساسية للتدفقات المضطربة 6 تشير إلى أن دراسة تناوب هذه الجسيمات توفر طرق جديدة للنظر في عملية شلال المضطربة.
Protocol
Representative Results
Discussion
ولطالما تم الاعتراف قياسات الدوامي ودوران الجسيمات في تدفق السوائل مضطربة، هدفين مهمين في ميكانيكا السوائل التجريبية. في دوران جسم صلب من المجالات الصغيرة في الاضطرابات يساوي نصف الدوامي السوائل، ولكن التماثل الدوراني من المجالات جعلت القياس المباشر على دوران جسم…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر Susantha Wijesinghe الذي صمم وشيد نظام ضغط الصور التي نستخدمها. ونحن نعترف بدعم من منحة جبهة الخلاص الوطني 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
- Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence. New J. Phys. 16, 102001 (2014).
- Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).
- Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).
- Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid. Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501 (2012).
- Parsa, S., Voth, G. Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence. Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501 (2014).
- Tsai, R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).
- Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence. Phys. Fluids. 22 (1), 015107 (2010).
- Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. Experimental study of relative, turbulent diffusion. RISO Internal Report. , (1999).
- Chan, K., Stich, D., Voth, G. Real-time image compression for high-speed particle tracking. Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704 (2007).
- Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. . Classical Mechanics, 3rd Edition. , 134-180 (2002).
- Parsa, S. . Rotational dynamics of rod particles in fluid flows. , (2013).
- Wijesinghe, S. . Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence. , (2012).
- Wallace, J., Foss, J. The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows. Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).
- Su, L., Dahm, W. Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors. Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).
- Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow. J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).
- Frish, M., Webb, W. Direct measurement of vorticity by optical probe. J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).
- Zimmerman, R., et al. Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906 (2011).
- Zimmerman, R., et al. Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow. Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501 (2011).
- Klein, S., Gibert, M. a. t. h. i. e. u., Bérut, A., Bodenschatz, E. Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow. Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).
- Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles. J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).
