قياس واحد من الاضطراب والجسيمات الكينماتيكا التدفق تقنيات التصوير باستخدام
Summary
الأسلوب الموصوفة هنا يوفر طريقة منخفضة التكلفة وبسيطة نسبيا في الوقت نفسه قياس الجسيمات علم الحركة والاضطراب في التدفقات مع تركيزات منخفضة من الجسيمات. الاضطراب الذي يقاس باستخدام الجسيمات الصورة فيلوسيميتري (PIV)، وتحسب الكينماتيكا الجسيمات من الصور التي تم الحصول عليها مع كاميرا عالية السرعة في تداخل حقل-من-وجهة نظر.
Abstract
إشراك العديد من المشاكل في المجالات العلمية والهندسية فهم علم الحركة الجسيمات في تدفقات المضطرب، مثل الملوثات المجهرية البحرية و/أو الترسبات في المحيط، أو المميعة المفاعلات وعمليات الاحتراق في هندسة النظم. ومن أجل دراسة أثر الاضطراب في علم الحركة للجزيئات في هذه التدفقات، قياسات متزامنة من الكينماتيكا التدفق والجسيمات مطلوبة. توجد تقنيات قياس التدفق عدم التدخل، الضوئية لقياس الاضطراب، أو لتتبع الجسيمات، ولكن قياس كليهما في نفس الوقت يمكن أن تكون صعبة بسبب التداخل بين التقنيات. الطريقة المعروضة هنا يوفر طريقة منخفضة التكلفة وبسيطة نسبيا لإجراء قياسات متزامنة من الكينماتيكا التدفق والجسيمات. مقطع عرضي للتدفق تقاس باستخدام تقنية فيلوسيميتري (PIV) صورة جسيمات، التي توفر عنصرين للسرعة في الطائرة القياس. ويستخدم هذا الأسلوب ليزر النبضي لإضاءة مجال تدفق المصنف التي يتم تصويرها بكاميرا رقمية. يتم تصويرها الكينماتيكا الجسيمات في نفس الوقت باستخدام ضوء التي ينبعث منها الضوء خط صمام ثنائي (LED) الذي ينير مقطع عرضي مستو التدفق التي يتراكب مع PIV الميدانية من-الرأي (FOV). خط الضوء هو الطاقة منخفضة بما يكفي أن لا تؤثر على القياسات PIV، لكن تصويرها قوية بما يكفي لإلقاء الضوء على الجسيمات أكبر من الاهتمام باستخدام كاميرا عالية السرعة. تتم تصفية الصور عالية السرعة التي تحتوي على نبضات الليزر من تقنية PIV بسهولة عن طريق فحص مستوى كثافة summed لكل صورة عالية السرعة. بجعل معدل الإطار لكاميرا عالية السرعة تتناسب مع معدل الإطار الكاميرا PIV، يمكن تقليل عدد الإطارات الملوثة في السلسلة الزمنية عالية السرعة. التقنية مناسبة لمتوسط التدفقات التي أساسا ثنائية الأبعاد، وتحتوي على الجسيمات التي على الأقل 5 مرات قطر يعني PIV البذر تتبع، وانخفاض في تركيز.
Introduction
يوجد عدد كبير من التطبيقات في المجالات العلمية والهندسية التي تنطوي على سلوك الجزيئات في تدفقات المضطرب، على سبيل المثال، والهباء الجوي في الغلاف الجوي، والملوثات، و/أو الترسبات في هندسة النظم، والبحرية الكائنات الحية الدقيقة أو الرواسب في المحيط2،،من13. في مثل هذه التطبيقات، أنها كثيرا من الاهتمام لفهم الكيفية التي تستجيب بها الجسيمات للاضطراب، الأمر الذي يتطلب قياس متزامنة الكينماتيكا الجسيمات وديناميات السوائل.
التكنولوجيات القائمة لقياس الجسيمات في الطلبات، تسمى الجسيمات تتبع (PT)، الذي يتتبع مسارات الجسيمات الفردية، وتقنية إحصائية من الجسيمات الصورة فيلوسيميتري4،5 (PIV)، المستخدمة لقياس التدفق السرعات، كلاهما إدماج التقنيات البصرية غير تدخلية. ويتمثل التحدي الرئيسي في استخدام هذه التقنيات البصرية غير تدخلية لقياس الكينماتيكا التدفق والجسيمات في نفس الوقت منفصلة الإضاءة المطلوبة لكل تقنية التصوير التي لا تتداخل مع (الطرف الآخر دقة القياس مثلاً، مصدر الإضاءة لقياس الكينماتيكا الجسيمات لا يمكن أن تعمل كمصدر ضجيج كبير في قياس سرعة السوائل والعكس بالعكس). تباين الصورة في كلتا المجموعتين من الصور يجب أن يكون كافياً للحصول على نتائج يمكن الاعتماد عليها. على سبيل المثال، الصور PT يتم تحويلها إلى صور بالأبيض والأسود بغية إجراء تحليل blob لتحديد مواقع الجسيمات؛ وهكذا التباين غير كاف يؤدي إلى أخطاء في موقف الجسيمات. الفقراء من التباين في الصور PIV المبالغ نسبة إشارة إلى الضجيج منخفض سوف يسبب عدم الدقة في تقدير سرعات السوائل.
ويرد هنا، وسيلة منخفضة التكلفة وبسيطة نسبيا قياس سرعات الكينماتيكا وتدفق الجسيمات معا في وقت واحد. من خلال استخدام الضوء أحادي اللون عالية الطاقة التي تنبعث منها خط صمام ثنائي (LED) الخفيفة، حيث يشير السطر إلى الفتحة الخفيفة، والليزر عالية الكثافة المزدوجة-رئيس، يتم تصويرها كلا الجسيمات من الفائدة ومجال التدفق في نفس المنطقة في وقت واحد. قوة LED عالية كافية لتصوير الجسيمات (تتبع) بكاميرا عالية السرعة ولكن لا تؤثر الصور PIV نظراً لشدة الضوء المتناثرة من تتبع PIV منخفض جداً. عندما ينير الليزر عالية الكثافة المزدوجة-رئيس مجال التدفق للصور PIV، فإنه يحدث على مدى فترة زمنية قصيرة وهذه الصور بسهولة تحديد وإزالة من السلسلة الزمنية التي حصلت عليها الكاميرا PT عالية السرعة عند تسجيلها. PIV ليزر النبضات التي سجلت في وقت صورة عالية السرعة (المستخدمة للجسيمات تتبع) سلسلة يمكن التقليل من عدم تشغيل النظامين في إطار اقتناء معدلات تتناسب مع بعضها البعض. في الأجهزة الأكثر تقدما، واحد يمكن أن يتسبب خارجياً الكاميرات PT و PIV مع تأخير يكفل هذا لا يحدث. أخيرا، بدراسة دقيقة لكمية الجزيئات التي يتم تعقبها داخل مجال الرؤية PIV (FOV)، أي أخطاء عرضته هذه الجزيئات يتم تعقبها في تحليل ترابط الصور PIV فعلا تؤخذ في الاعتبار قبل تقدير الخطأ عموما، بما في ذلك الأخطاء المرتبطة بتوزيع حجم غير موحد لتتبع PIV ضمن إطار الاستجواب. بعد الغالبية العظمى من PIV البذر تتبع التدفق، تسفر عن تقديرات سرعة تدفق دقيقة. تمكن هذه التقنيات القياس المباشر المتزامن لكلا الجسيمات الكينماتيكا وتدفق الحقل في طائرة ثنائية الأبعاد.
ويتجلى هذا الأسلوب بتطبيقها لتحديد الجسيمات تسوية الخصائص في تدفق المضطرب، مماثلة لتلك المستخدمة في الدراسات يانغ و خجولة6 جاكوبس et al. 7-تسوية الجسيمات هي المرحلة النهائية في انتقال الرواسب، الذي يتكون عادة من تعليق الرواسب، والنقل، وتسوية. في معظم الدراسات السابقة التي تناولت الجسيمات تسوية في تدفقات المضطرب، أما مسارات الجسيمات أو السرعات المضطربة لا تقاس مباشرة ولكن يستدل من الناحية النظرية أو على غرار8،،من910. تفاصيل حول التفاعلات بين الجسيمات والاضطراب قد تم التحقيق في أغلب الأحيان استخدام النماذج النظرية والعددية بسبب قيود التجريبية في قياس كليهما في وقت واحد6،11. نقدم دراسة حالة تفاعل جسيمات-اضطراب في منشأة شبكة المتذبذبة، حيث نقوم بدراسة سرعة تسوية من الجسيمات وعن اقتران مع الاضطرابات. للوضوح، الآخرة وسوف نشير إلى الجسيمات قيد التحقيق “الجسيمات” والجسيمات البذر المستخدمة لهذه التقنية PIV ك “تتبع”؛ بالإضافة إلى ذلك، سوف نشير إلى الكاميرا المستخدمة للتصوير فائق السرعة لمسارات الجسيمات ك “الجسيمات تتبع” أو “حزب العمال”، أو الكاميرا “فائق السرعة”، والذي يقيس “صور عالية السرعة” والكاميرا المستخدمة لأسلوب PIV “الكاميرا PIV”، التي تدابير “الصور”. الأسلوب الموصوفة هنا تمكين المتزامن قياس الجسيمات الكينماتيكا وديناميات السوائل عبر حقل معرف مسبقاً من الاهتمام داخل المرفق. البيانات التي تم الحصول عليها يقدم وصفاً ثنائي الأبعاد لتفاعل الجسيمات الاضطراب.
Protocol
Representative Results
Discussion
الأسلوب الموصوفة في هذه الوثيقة غير مكلفة نسبيا ويوفر طريقة بسيطة لقياس مسارات الجسيمات والاضطراب في نفس الوقت بغية دراسة تأثير تدفق على الكينماتيكا الجسيمات. جدير بالذكر أن نذكر أن التدفقات أو الاقتراحات الجسيمات التي ثلاثية الأبعاد بشدة ليست مناسبة تماما لهذا الأسلوب. سيؤدي إلى أخطاء<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أجزاء من هذا العمل حظيت بالأساس الثاني إلى السادس ومنحة تعزيز المهنية كارولينا الساحلية. كما نود أن نعترف وكورين جاكوبس، ماريك جيندراساك ووليام التاجر للمساعدة في الإعداد التجريبية.
Materials
| Optical lenses | CVI LASER OPTICS | Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV | Other optics companies are acceptable. Spherical and cyclindrical lenses for generating PIV light sheet. |
| Camera lens for PIV | Nikon | Nikkor 105mm f/2D | Other camera lens companies are acceptable. Camera lens for PIV imaging. |
| Camera lens for high-speed | Nikon | Nikkor 50mm f/1.8D | Other camera lens companies are acceptable. Camera lens for high-speed imaging. |
| Dual-head pulsed laser | Quantel | EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz | Other laser companies are acceptable. Dual-head Pulsed-laser for PIV: Nd:YAG |
| LED line light | Gardasoft Vision, Ltd. | VLX2 LED Line Lighting – Green – GAR-VLX2-250-LWD-G-T04 | Other companies are acceptable. Line light for LED. |
| PIV seeding particles/tracers | Potters Industries | SPHERICAL Hollow Glass Spheres: 11 mm average diameter | Other companies are acceptable. PIV seeding particles |
| CCD cross-correlation camera | TSI, Inc. | POWERVIEW 11M: CCD, Double-exposure, 4008×2672 pixels @ 4.2 Hz with 12bit dynmic range | Other companies are acceptable. Double-exposurem, CCD camera for PIV imaging. |
| High-speed camera | Photron | FASTCAM SA3; Model 60K: 1024×1024 pixels @ 1kHz | Other companies are acceptable. CMOS camera for high speed imaging. |
| Synchronizer | TSI, Inc. | LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036 | Other companies are acceptable. Synchronize the acquisition of the PIV camera and laser. |
| Calibration target | TSI, Inc. | Other companies are acceptable. Precision target for image calibration. |
References
- Maxey, M. R. The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields. Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).
- Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 759, R3 (2014).
- Ha, H. K., Maa, J. P. Y. Effects of suspended sediment concentration and turbulence on settling velocity of cohesive sediment. Geosciences Journal. 14 (2), 163-171 (2010).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J. . Particle image velocimetry: A practical guide. , (2007).
- Lu, L., Sick, V. High-speed particle image velocimetry near surfaces. Journal of Visualized Experiments. 76, e50559 (2013).
- Yang, T. S., Shy, S. S. The settling velocity of heavy particles in an aqueous near-isotropic turbulence. Physics of Fluids. 15 (4), 868-880 (2003).
- Jacobs, C. N., Merchant, W., Jendrassak, M., Limpasuvan, V., Gurka, R., Hackett, E. E. Flow scales of influence on the settling velocities of particles with varying characteristics. PLoS One. 11 (8), 0159645 (2016).
- Murray, S. P. Settling velocities and vertical diffusion of particles in turbulent water. Journal of Geophysical Research. 75 (9), 1647-1654 (1970).
- Nielsen, P. Turbulence effects on the settling of suspended particles. Journal of Sedimentary Research. 63 (5), 835-838 (1993).
- Kawanisi, K., Shiozaki, R. Turbulent effects on the settling velocity of suspended sediment. Journal of Hydraulic Engineering. 134 (2), 261-266 (2008).
- Maxey, M. R., Corrsin, S. Gravitational settling of aerosol particles in randomly oriented cellular flow fields. Journal of the Atmospheric Sciences. 43, 1112-1134 (1986).
- Melling, A. Tracer particles and seeding for particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1406-1416 (1997).
- Hadad, T., Gurka, R. Effects of particle size, concentration and surface coating on turbulent flow properties obtained using PIV/PTV. Experimental Thermal and Fluid Science. 45, 203-212 (2013).
- Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).
- Shy, S. S., Tang, C. Y., Fann, S. Y. A nearly isotropic turbulence generated by a pair of vibrating grids. Experimental Thermal and Fluid Science. 14 (3), 251-262 (1997).
- Dietrich, W. E. Settling velocity of natural particles. Water Resources Research. 18 (6), 1615-1626 (1982).
- Huang, H., Dabiri, D., Gharib, M. On errors of digital particle image velocimetry. Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427 (1997).
