מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה
Summary
בטכניקה המתוארת במסמך זה מציע שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית קינמטיקה של חלקיקים, מערבולת, זורם עם ריכוז נמוך של חלקיקים. המערבולות נמדד באמצעות חלקיקים תמונה velocimetry (PIV), קינמטיקה של חלקיקים מחושבים מתוך תמונות שהושג עם מצלמה במהירות גבוהה ב- חופפים שדה-של-view.
Abstract
בעיות רבות בתחומים מדעיים והנדסיים לערב הבנה קינמטיקה של חלקיקים בתוך מערבולות זורם, כגון מזהמים, מיקרו-אורגניזמים ימיים, ו/או בחקר האוקיינוס, או מיטה fluidized כורים בתהליכי בעירה מערכות הנדסה. על מנת ללמוד את ההשפעה של מערבולת על קינמטיקה חלקיקים ב זורם כזה, מדידות סימולטני של קינמטיקה זרימה וגם חלקיקים נדרשים. זרימה לא פולשני, אופטי טכניקות מדידה למדידת זרימה טורבולנטית, או למעקב אחר חלקיקים, אך מדידת שניהם בו זמנית יכול להיות מאתגר עקב הפרעה בין הטכניקות. השיטה המובאת במסמך זה מספק שיטה זולה ופשוטה יחסית כדי לבצע מדידות סימולטני של קינמטיקה זרימה, של חלקיקים. חתך רוחב של הזרם נמדד באמצעות טכניקה velocimetry (PIV) התמונה חלקיקים, אשר מספק שני רכיבים של מהירות במישור מדידה. טכניקה זו מנצל פעמו לייזר עבור תאורה של שדה הזרימה הזריעה היא תמונה על-ידי מצלמה דיגיטלית. קינמטיקה חלקיקים הם בו זמנית עם תמונה באמצעות אור פליטת נורית led קו אור המאיר חתך מישורי של הזרם זה חופף PIV השדה-of-view (FOV). האור הקו הוא של צריכת חשמל נמוכה מספיק, כי זה אינו משפיע על המדידות PIV, אבל חזק מספיק כדי להאיר את חלקיקים גדולים יותר עניין עם תמונה באמצעות המצלמה במהירות גבוהה. במהירות גבוהה תמונות המכילות את פעימות לייזר של הטכניקה PIV מסוננים בקלות על-ידי בדיקת רמת העוצמה מסוכם של כל תמונה במהירות גבוהה. בכך את קצב המסגרות של המצלמה במהירות גבוהה incommensurate עם זו של קצב המסגרות של המצלמה PIV, מספר המסגרות מזוהמים בסדרה זמן מהיר יכול להיות ממוזער. הטכניקה מתאימה זורם אומר כי הם בעיקר דו מימדי, מכילים חלקיקים לפחות 5 פעמים הקוטר אכזרי של PIV זריעה המשדרים, והוא נמוך בריכוז.
Introduction
קיימים מספר רב של יישומים בתחומים מדעיים והנדסיים המערבות את אופן הפעולה של חלקיקים בתוך מערבולות זורם, לדוגמה, אירוסולים אווירה, מזהמים ו/או בחקר הנדסה מערכות ים מיקרו-אורגניזמים או משקעים של האוקיינוס1,2,3. במקרים כאלה, לעתים קרובות עניין כדי להבין איך החלקיקים להגיב מערבולת, אשר מחייב מדידת סימולטני קינמטיקה של חלקיקים ולא את הדינמיקה של נוזלים.
טכנולוגיות קיימות כדי למדוד חלקיק תנועות, שנקרא חלקיקים מעקב (PT), אשר עוקב אחר חלקיקים בודדים, טכניקה סטטיסטית של חלקיקים תמונה velocimetry4,5 (PIV), המשמש למדידת זרימה המהירויות, שניהם לשלב טכניקות אופטי פולשנית. האתגר העיקרי באמצעות טכניקות פולשנית אלה אופטי למדידת קינמטיקה זרימה וגם החלקיקים בו זמנית הוא ההארה נפרד הדרושים עבור כל טכניקת דימות יכולה להתערב מדידת דיוק (של האחר למשל, מקור תאורה למדידת קינמטיקה של חלקיקים לא יכול להתנהג כמקור משמעותי רעש מדידת מהירות נוזלים, ולהיפך). הניגוד בתמונה בין שני סטים של תמונות צריך להיות מספיק כדי להשיג תוצאות אמינות. לדוגמה, הדימויים PT מומרים לתמונות שחור-לבן על מנת לבצע ניתוח בועה כדי לקבוע עמדות חלקיקים; לכן, לא מספיק חדות מוביל שגיאות חלקיקים בעמדות. ניגודיות המסכן בכמויות תמונות PIV כדי יחס אות לרעש נמוך זה יגרום אי דיוקים אומדן בין המהירויות נוזלים.
. הנה, מתוארת שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית שתי המהירויות קינמטיקה ואת זרימת חלקיקים. באמצעות שימוש של אור מונוכרומטי ובעוצמת פולטות נורית led קו אור, איפה הקו מתייחס צמצם אור ולייזר בעוצמה גבוהה לחיבורי, שני חלקיקים של ריבית ואת השדה זרימת הם צילמו באותו אזור בו זמנית. הכוח גבוהה של ה-LED מספיקה ההדמיה של החלקיקים (מסומנים) על ידי המצלמה במהירות גבוהה אך לא משפיע על הדימויים PIV בגלל עוצמת האור המתפזרת המשדרים PIV הוא נמוך מדי. כאשר הלייזר בעצימות גבוהה לחיבורי מאירה השדה זרימה לתמונות PIV, היא מתרחשת על מרווח זמן קצר, תמונות אלה הם ולהסרה בקלות מתוך הסדרה זמן מתקבל על ידי המצלמה PT במהירות גבוהה בעת שהם רשומים. PIV לייזר פולסים הקליט בזמנו תמונה במהירות גבוהה (משמש עבור חלקיקים מעקב) סדרת ניתן למזער על ידי לא הפעלת את שתי המערכות במחירים רכישת מסגרת זה העולים בקנה אחד עם השני. ב setups מתקדמים יותר, יכולה להפעיל באופן חיצוני את המצלמות PT ו- PIV עם עיכוב זה יבטיח שזה לא קורה. בסופו של דבר, לפי שיקול דעת זהיר של כמות חלקיקי מסומנים בתוך PIV שדה הראייה (FOV), שגיאות שהוצגו על ידי החלקיקים מסומנים בניתוח המתאם של תמונות PIV כבר נלקחים בחשבון על ידי הערכת השגיאה הכללית, כולל שגיאות המשויכת עם התפלגות גודל לא אחידה של המשדרים PIV בתוך חלון החקירה. הרוב המכריע של PIV זריעה המשדרים עוקבים הזרם מניב הערכות מהירות זרימה מדויקים. טכניקות אלה מאפשרות מדידה ישירה בו זמנית את שני החלקיקים קינמטיקה וזרימה השדה מטוס דו מימדי.
טכניקה זו מומחש החלתו כדי לקבוע חלקיקים מתארגן מאפייני זרם מערבולות, הדומה לזו המשמשת במחקרים יאנג ואני ביישן6 . ג’ייקובס ואח 7. חלקיקים להתיישב הוא השלב הסופי בהעברה משקעים, המורכב בדרך כלל השעיה משקעים, תחבורה, להתיישב. מחקרים קודמים רוב יש לטפל בהן חלקיקים מתארגן מערבולות, או חלקיקים או המהירויות הסוערים לא נמדדים באופן ישיר אבל להסיק באופן תיאורטי או הוצג8,9,10. פרטים על האינטראקציות בין חלקיקי, מערבולת לרוב נחקרו באמצעות מודלים תיאורטיים ומספרי בגלל מגבלות ניסיוני במדידת את שניהם בו זמנית6,11. אנו מציגים חקר מקרה אינטראקציה של חלקיקים מערבולת מתקן רשת נדנוד, בו נלמד את מהירות שיקוע של חלקיקים שלהם צימוד עם מערבולות. למען הבהירות להלן נתייחס החלקיקים תחת חקירה ‘חלקיקים’, החלקיקים זריעה הטכניקה PIV משמש “המשדרים”; בנוסף, נתייחס המצלמה בשימוש עבור ההדמיה במהירות גבוהה של חלקיקים “חלקיקים מעקב”, “PT” או מצלמה “מהיר”, אשר מודד “מהיר” ותמונות המצלמה בשימוש עבור שיטת PIV “המצלמה PIV”, אשר מודד “תמונות”. השיטה המתוארת במסמך זה מאפשר את המדידה בו זמנית של חלקיקים קינמטיקה ודינמיקה נוזל מעל שדה מוגדר מראש של עניין בתוך המתקן. נתונים המתקבלים מספק תיאור דו-ממדית של האינטראקציה של חלקיקים מערבולת.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה המתוארת במסמך זה זולה יחסית, והוא מספק דרך פשוטה למדוד בו זמנית חלקיקים ו מערבולת כדי לבחון את ההשפעה של זרימה על חלקיק קינמטיקה. ראוי להזכיר כי זורם או תנועות חלקיקים הן בתוקף תלת-אינם מתאים היטב בטכניקה זו. Out-של-plane. ההצעה יגרום לשגיאות17 דו-ממדי מעקב וניתוח PIV, צריך להיות…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חלקים של עבודה זו היו נתמך על ידי קרן II-VI ו המענק החוף של שיפור מקצועי קרוליינה. אנחנו גם רוצים להכיר קורין ג’ייקובס, מארק Jendrassak, ויליאם הסוחר בשביל לעזור עם הארגון ניסיוני.
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).
