Методы измерения ориентации и Скорость вращения 3D-распечатаны Частицы в Турбулентность
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
Экспериментальные методы представлены для измерения вращательного и поступательного движения анизотропных частиц в турбулентных потоках жидкости. Технология 3D печать используется для изготовления частиц с тонкими руками, соединенных в едином центре. Формы изученными являются кресты (два перпендикулярных стержней), домкраты (три перпендикулярных стержней), триадами (три стержней в треугольной плоской симметрии) и тетрад (четыре руки в тетраэдрической симметрии). Способы получения от порядка 10000 флуоресцентно окрашенная частиц описаны. Время-разрешенные измерения их ориентации и скорости вращения твердого тела получаются из четырех синхронизированных видео их движения в турбулентном потоке между колеблющейся решетки с R λ = 91. В этом относительно низкорейнольдсовых потока чисел, то адвектируется частицы достаточно малы что они приблизительно эллипсоидальные маркерные частицы. Представлены результаты времяразрешенных 3D траекторий положения и ориентации частиц, кака также измерения их скорости вращения.
Introduction
В недавней публикации, мы ввели использование частиц , изготовленных из нескольких тонких рук для измерения вращательного движения частиц в условиях турбулентности 1. Эти частицы могут быть изготовлены с использованием 3D-принтеры, и можно точно измерить их положение, ориентацию, и скорость вращения с помощью нескольких камер. Использование инструментов от стройной теории тела, можно показать , что эти частицы имеют соответствующие эффективные эллипсоиды 2, а вращательные движения этих частиц идентичны таковым из их соответствующих эффективных эллипсоидов. Частицы с симметричными руками одинаковой длины вращаются как сферы. Одним из таких частиц является домкрат, который имеет три взаимно перпендикулярные руки, присоединенные в его центре. Регулировка относительных длин плеч домкрата может сформировать эквивалент частиц к любому трехосного эллипсоида. Если длина одного плеча устанавливается равным нулю, это создает крест, чей эквивалентный эллипсоид представляет собой диск. Частицы, изготовленные из тонкихРуки занимают небольшую часть твердого объема их твердых эллипсоидальных аналогов. В результате, они осадке медленнее, что делает их легче, чтобы соответствовать плотности. Это позволяет исследовать гораздо более крупных частиц, чем удобно с твердыми частицами эллипсоида. Кроме того, процедура может быть проведена при значительно более высоких концентраций частиц, так как частицы блокируют меньшую часть света от других частиц.
В данной работе, методы изготовления и отслеживания 3D печатных частиц документированы. Инструменты для отслеживания поступательное движение сферических частиц с позиций частиц , как видно несколькими камерами, были разработаны несколько групп 3,4. Парса и др. 5 распространил этот подход для отслеживания стержней с использованием положения и ориентации стержней видели несколькими камерами. Здесь приведены способы изготовления частиц самых разнообразных форм и реконструкции их 3D ориентации. Это дает тысе возможность расширить 3D отслеживание частиц со сложными формами для широкого спектра новых приложений.
Эта техника имеет большой потенциал для дальнейшего развития из-за широкого диапазона форм частиц, которые могут быть разработаны. Многие из этих форм имеют прямое применение в экологических потоках, где планктон, семена и кристаллы льда приходят в широкий спектр форм. Связи между поворотами частиц и фундаментальных мелкомасштабных свойств турбулентных течений 6 показывают , что изучение вращений этих частиц обеспечивает новые способы смотреть на турбулентном каскадного процесса.
Protocol
Representative Results
Discussion
Измерения вихря и вращения частиц в турбулентном потоке жидкости уже давно признаны в качестве важных целей в экспериментальной механике жидкости. Вращение твердого тела маленьких сфер в турбулентности равна половине завихренности жидкости, но осевую симметрию сфер сделала прямое и…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Susantha Wijesinghe, который спроектирован и построен систему сжатия изображения мы используем. Мы признаем, поддержка со стороны гранта 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
- 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).
