Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren

Es gibt eine große Anzahl von Anwendungen in wissenschaftlichen und technischen Bereichen, bei denen das Verhalten der Partikel in turbulente Strömungen, zum Beispiel, Aerosole in der Atmosphäre, Verunreinigungen und/oder Sedimente im Anlagenbau und marine Mikroorganismen oder Sediment in den Ozean^1,2,3. In solchen Anwendungen ist es oft interessant zu verstehen, wie die Partikel zu Turbulenzen, reagieren die gleichzeitige Messung von Teilchen-Kinematik und die Fluiddynamik erfordert.

Vorhandene Technologien zur Messung von Teilchen Bewegungen, genannt Particle tracking (PT), die einzelnen Partikel Bahnen und die statistische Methode der Particle Image Velocimetry^4,5 (PIV) Titel, verwendet zur Messung des Durchflusses Geschwindigkeiten, übernehmen beide berührungslose optische Verfahren. Die größte Herausforderung bei der Verwendung dieser berührungslose optische Techniken, um den Fluss und die Partikel Kinematik gleichzeitig zu messen ist die separate Beleuchtung für jede bildgebendes Verfahren, das eingegriffen werden kann und mit der anderen Messung (Genauigkeit erforderlich z. B. kann nicht der Beleuchtungsquelle für die Messung der Partikel-Kinematik als eine wesentliche Lärmquelle in der Fluidgeschwindigkeit Mess- und umgekehrt handeln). Den Kontrast des Bildes in beiden Sätzen von Bildern muss ausreichen, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Beispielsweise werden die PT-Bilder in schwarz / weiß-Bilder konvertiert, um ein Blob-Analyse zur Ermittlung der Partikelpositionen durchzuführen; so führt nicht genügend Kontrast zu Fehlern bei der Partikel Position. Schlechten Kontrast in PIV Bilder beläuft sich auf einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis, die Ungenauigkeiten bei Schätzung der Flüssigkeiten Geschwindigkeiten verursachen wird.

Hier ist eine relativ kostengünstige und einfache Methode, um gleichzeitig beide Teilchen Kinematik und Fluss Geschwindigkeiten messen beschrieben. Durch den Einsatz eines Hochleistungs-monochromatisches Licht emittierende Diode (LED) Linie Licht, wo die Linie bezieht sich auf die Lichtblende und Doppelkopf-hochintensive Laser, sind sowohl die Partikel von Interesse und das Strömungsfeld gleichzeitig in derselben Region abgebildet. Die hohe Leistung der LED ist ausreichend für die Bildgebung der (Tracking) Partikel von der High-Speed-Kamera aber hat keinen Einfluss die PIV-Bilder, da die Lichtintensität verstreut von PIV Tracer zu niedrig ist. Wenn der Doppelkopf-hochintensive Laser beleuchtet das Strömungsfeld für die PIV-Bilder, es erfolgt über ein kurzes Zeitintervall und diese Bilder sind leicht identifiziert und entfernt aus der Zeitreihe durch PT-Hochgeschwindigkeitskamera erhalten, wenn sie registriert sind. PIV laser Impulse aufgenommen in die High-Speed-Bild (verwendet für Partikel tracking) Zeit, die Serie minimiert werden kann, indem man nicht die beiden Systeme bei Erwerb Frameraten, die einander entsprechen. In weiter fortgeschrittenen-Setups könnte eine extern PT und PIV-Kameras mit einer Verzögerung auslösen, die dafür sorgen würde, dass dies nicht der Fall. Schließlich werden durch sorgfältige Prüfung der Höhe der Partikel, die im Rahmen der PIV-Sichtfeld (FOV) verfolgt, eingeführt durch diese verfolgten Teilchen in der Korrelationsanalyse PIV Bilder Fehler bereits durch die gesamte Fehlerschätzung berücksichtigt, auch Fehler im Zusammenhang mit ungleichmäßigen Größenverteilung der PIV-Tracer im Verhör-Fenster. Die überwiegende Mehrheit der PIV Aussaat Tracer folgen die Strömung, genaue Flow Velocity Schätzungen nachgeben. Diese Techniken ermöglichen die gleichzeitige direkte Messung der beiden Teilchen Kinematik und Flow Bereich in einer zweidimensionalen Ebene.

Diese Technik zeigt sich durch die Anwendung, um festzustellen, Partikel absetzen Merkmale in eine turbulente Strömung, ähnlich wie in den Studien von Yang und schüchtern⁶ und Jacobs Et al. ⁷. Partikel absetzen ist die letzte Stufe in der Sedimenttransport, besteht im Allgemeinen aus Sediment Federung, Transport und absetzen. In den meisten früheren Studien, die Partikel absetzen in turbulente Strömungen gerichtet haben, entweder Partikel Trajektorien oder turbulente Geschwindigkeiten nicht direkt gemessen, sondern theoretisch abgeleitet oder modelliert^8,9,10. Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Turbulenzen in den meisten Fällen wurden untersucht anhand von theoretischen und numerischen Modellen aufgrund der experimentellen Einschränkungen bei der Messung beide gleichzeitig^6,11. Wir präsentieren eine Partikel-Turbulenzen Interaktion Fallstudie in einer oszillierenden Raster-Anlage, wo wir die Sinkgeschwindigkeit der Partikel und deren Kopplung mit Turbulenzen zu studieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im folgenden die Partikel unter Untersuchung als “Partikel” und die Aussaat Partikel verwendet für die PIV-Technik als “Tracer”; bezeichnet Darüber hinaus verweisen wir auf die Kamera verwendet für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Partikel Bahnen als “Particle Tracking”, “PT” oder “High-Speed”-Kamera, die “High-Speed-Bilder” und die Kamera verwendet für die PIV-Methode “PIV-Kamera” Maßnahmen, die Maßnahmen “Bilder”. Die hier beschriebene Methode ermöglicht die gleichzeitige Messung von Partikeln Kinematik und Dynamik von Flüssigkeiten über ein vordefiniertes Feld von Interesse innerhalb der Anlage. Die gewonnenen Daten liefert eine zweidimensionale Beschreibung der Partikel-Turbulenzen Interaktion.