Gelijktijdige meting van turbulentie en Particle Kinematics met behulp van stroom beeldvormende technieken

Er bestaat een groot aantal toepassingen op zowel wetenschappelijke en technische gebieden die betrekking hebben op het gedrag van deeltjes in de turbulente stromen, bijvoorbeeld, aërosolen in de sfeer, contaminanten en/of in aangelegde systemen, en mariene sedimenten micro-organismen of sediment in de oceaan^1,2,3. In dergelijke toepassingen is het vaak van belang om te begrijpen hoe de deeltjes reageren op turbulentie, waarvoor gelijktijdige meting van de deeltjes kinematica en de dynamica van de vloeistof.

Bestaande technologieën voor het meten van deeltje bewegingen, genaamd deeltje bijhouden (PT), die tracks individuele deeltjes trajecten en de statistische techniek van particle image velocimetry^4,5 (PIV), gebruikt voor het meten van stroom snelheden, nemen beide onopvallende optische technieken. De belangrijkste uitdaging bij het gebruik van deze niet-invasief optische technieken voor het meten van zowel de stroom en het deeltje kinematica gelijktijdig is de aparte verlichting nodig voor elke beeldvormende techniek die niet mengen met elkaars meting nauwkeurigheid) bijvoorbeeld, de bron van de verlichting voor het meten van de kinematica deeltje kan niet fungeren als een belangrijke geluidsbron in de meting van de snelheid van de vloeistof en vice versa). Het afbeeldingscontrast in beide sets van beelden moet voldoende zijn om betrouwbare resultaten te verkrijgen. Bijvoorbeeld, worden de PT-afbeeldingen geconverteerd naar zwart-wit beelden om te kunnen uitvoeren van een analyse van de blob om te bepalen van deeltje posities; dus leidt onvoldoende contrast tot fouten in de positie van de particle. Slecht contrast in PIV beelden bedragen naar een lage signal-to-noise verhouding die onnauwkeurigheden in de schatting van de vloeistof snelheden zullen veroorzaken.

Hier, wordt een relatief goedkope en eenvoudige methode om te meten gelijktijdig beide deeltje kinematica en stroom snelheden beschreven. Door het gebruik van een high-power monochromatisch licht emitterende diode (LED) lijn licht, waar de lijn naar de lichte diafragma en dual-head hoge intensiteit laser verwijst, zijn zowel de deeltjes van belang en het veld stroom gelijktijdig beeld in dezelfde regio. Het hoge vermogen van de LED is voldoende voor de beeldvorming van de (bijgehouden) deeltjes door de high-speed camera maar heeft geen gevolgen voor de PIV beelden omdat de lichtintensiteit verspreid van PIV traceurs te laag is. Wanneer de laser van de hoge intensiteit dual-head verlicht het veld van de stroom voor de PIV-beelden, het vindt plaats via een korte tijdsinterval en deze beelden gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd en verwijderd uit de tijdreeks verkregen door de snelle PT camera wanneer ze zijn geregistreerd. PIV laser pulsen opgenomen in de tijd van de hoge snelheid beeld (gebruikt voor particle bijhouden) serie kan worden geminimaliseerd door niet de twee systemen op overname framesnelheid in verhouding met elkaar staan. In meer geavanceerde opstellingen, kon een extern de PT en PIV camera’s met een vertraging zodat dit niet gebeurt zou teweegbrengen. Ten slotte, door zorgvuldige afweging van de hoeveelheid deeltjes worden bijgehouden in de PIV beeldveld (FOV), eventuele fouten geïntroduceerd door deze bijgehouden deeltjes in de analyse van de correlatie van PIV beelden zijn al rekening gehouden door de totale schatting van de fout, inclusief fouten die zijn gekoppeld aan niet-uniforme grootteverdeling van PIV traceurs binnen het venster van de ondervraging. De overgrote meerderheid van de PIV zaaien traceurs volgen de stroom, levert nauwkeurige flow velocity schattingen. Deze technieken kunnen de gelijktijdige rechtstreekse meting van zowel het deeltje kinematica en stroom veld in een tweedimensionaal vlak.

Deze techniek wordt aangetoond door het toepassen van het deeltje zich vestigen van kenmerken in een turbulente stroming, vergelijkbaar met die gebruikt in studies door Yang en verlegen⁶ en Jacobs et al. en controleer ⁷. deeltje afwikkeling is de laatste fase in sedimenttransport, die meestal uit het sediment schorsing, en vervoer regelen bestaat. In de meeste voorafgaande studies die deeltjes zich vestigen in turbulente stromen hebben aangepakt, ofwel deeltjes trajecten turbulente snelheden zijn niet rechtstreeks gemeten, maar afgeleid theoretisch of gemodelleerd^8,9,10. Details over de interacties tussen deeltjes en turbulentie zijn vaak onderzocht met behulp van theoretische en numerieke modellen als gevolg van de experimentele beperkingen bij de waardering van beide gelijktijdig^6,11. We presenteren een deeltje-turbulentie interactie casestudy in een oscillerende raster faciliteit, waar we de beslechting snelheid voor deeltjes en hun koppeling studie met turbulentie. Voor de duidelijkheid, zal hierna verwijzen we naar de deeltjes onderzochte als “particles” en de seeding deeltjes gebruikt voor de PIV-techniek als “tracers”; Bovendien zullen we verwijzen naar de camera gebruikt voor de snelle beeldvorming van de deeltjes-trajecten als de “deeltje volgen”, “PT” of “snelle” camera, dat meet “snelle beelden” en de camera gebruikt voor de PIV-methode de “PIV camera”, die Meet “beelden”. De hier beschreven methode kunt de gelijktijdige meting van de deeltjes kinematica en dynamica van de vloeistof over een vooraf gedefinieerde veld van belang binnen de faciliteit. De verkregen gegevens bevat een tweedimensionale beschrijving van de interactie van het deeltje-turbulentie.