Mesure simultanée de la Turbulence et de la cinématique de particules qui utilise les Techniques d’imagerie de flux

Il existe un grand nombre d’applications dans les domaines scientifiques et techniques qui concernent le comportement des particules dans les écoulements turbulents, par exemple, les aérosols dans l’atmosphère, des contaminants et des sédiments dans les systèmes et marine les micro-organismes ou les sédiments dans l’océan^1,2,3. Dans de telles applications, il est souvent intéressant de comprendre comment les particules répondent aux turbulences, qui exige la mesure simultanée de la cinématique des particules et la dynamique des fluides.

Les technologies existantes pour mesurer les mouvements des particules, appelés suivi de particules (PT), qui suit les trajectoires de particules individuelles et la technique statistique de particle image velocimetry^4,5 (PIV), utilisé pour mesurer le flux vitesses, tous deux intègrent des techniques optiques non intrusives. Le principal défi dans l’utilisation de ces techniques optiques non intrusives pour mesurer le débit et la particule cinématique simultanément est l’éclairage séparé requis pour chaque technique d’imagerie qui ne peut pas interférer avec l’autre mesure précision ( par exemple, la source d’illumination pour mesurer la cinématique de la particule ne peut agir comme une source de bruit important dans la mesure de la vitesse du fluide et vice versa). Le contraste de l’image dans les deux ensembles d’images doit être suffisante pour obtenir des résultats fiables. Par exemple, les images de PT sont convertis aux images en noir et blanc afin d’effectuer une analyse de blob afin de déterminer les positions des particules ; ainsi, le contraste insuffisant conduit à des erreurs dans la position de la particule. Faible contraste en PIV images s’élève à un faible ratio signal-bruit qui provoqueront des inexactitudes dans l’estimation des vitesses fluides.

Ici, une méthode relativement simple et faible coût de mesurer simultanément les deux vitesses de cinématique et flux de particules est décrite. Grâce à l’utilisation d’une lumière monochromatique haute puissance émettant ligne de diode (LED) lumière, où la ligne se réfère à l’ouverture lumineuse et la double tête laser de haute intensité, les deux particules d’intérêt et le champ d’écoulement sont imagés simultanément dans la même région. La puissance élevée de la LED est suffisante pour l’imagerie de particules (chenilles) par la caméra à grande vitesse mais n’influe pas sur les images PIV parce que l’intensité de la lumière diffusée par des traceurs PIV est trop faible. Quand le double tête haute intensité laser illumine le champ d’écoulement pour les images PIV, il se produit sur un intervalle de temps court et ces images sont facilement identifiés et supprimés des séries chronologiques obtenues par la caméra PT à grande vitesse lorsqu’ils sont enregistrés. PIV laser à impulsions enregistrées dans le temps d’image haute vitesse (utilisé pour le suivi de particules) série peut être minimisé en n’exécutant ne pas les deux systèmes à cadences d’acquisition qui soient comparables entre eux. Dans les configurations plus avancées, on peut déclencher l’extérieurement les caméras PT et PIV avec un retard qui garantirait que cela n’arrive pas. Enfin, par un examen attentif de la quantité de particules suivies au sein de la PIV champ de vision (FOV), le toutes les erreurs introduites par ces particules suivies dans l’analyse de corrélation d’images PIV sont déjà pris en compte par l’estimation de l’erreur globale, y compris des erreurs associées à granulométrie non uniforme des traceurs PIV dans la fenêtre de l’interrogatoire. La grande majorité de la PIV ensemencement à traceurs suivent le flux, ce qui donne des estimations de vitesse de débit précis. Ces techniques permettent la mesure directe simultanée de ces deux particules cinématique flux matière et dans un plan à deux dimensions.

Cette technique est démontrée par son application afin de déterminer les particules régler les caractéristiques dans un écoulement turbulent, similaire à celle utilisée dans les études par Yang et timide⁶ et Jacobs et al. ⁷. régler les particules est l’ultime étape de transport des sédiments, qui consiste généralement en suspension de sédiments, transport et sédimentation. Dans la plupart des études antérieures qui ont abordé la particule s’installant dans les écoulements turbulents, soit des trajectoires de particules ou de vitesses turbulentes ne mesurent pas directement, mais déduit théoriquement ou modélisé^8,9,10. Détails sur les interactions entre les particules et les turbulences ont plus souvent été étudiées à l’aide de modèles théoriques et numériques en raison des limitations expérimentales en mesurant tous les deux en même temps^6,11. Nous présentons une étude de cas d’interaction particules-turbulences dans une installation de grille oscillante, où l’on étudie la vitesse de sédimentation des particules et leur couplage avec la turbulence. Pour plus de clarté, nous désignerons ci-après aux particules incriminés comme « particules » et l’ensemencement utilisés pour la technique PIV comme « traceurs » ; en outre, nous ferons référence à l’appareil utilisé pour l’imagerie à grande vitesse des trajectoires de particules comme le « suivi des particules », « PT » ou « haute vitesse » caméra, qui mesure « images à grande vitesse » et l’appareil photo utilisé pour la méthode PIV la « caméra PIV », qui mesure « images ». La méthode décrite ici permet la mesure simultanée de la cinématique des particules et la dynamique des fluides sur un champ prédéfini d’intérêt au sein de l’établissement. Les données obtenues fournissent une description à deux dimensions de l’interaction de la particule-turbulence.