Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

Esistono un gran numero di applicazioni in campi di ingegneria e scientifiche che coinvolgono il comportamento delle particelle in flussi turbolenti, ad esempio, aerosol l’atmosfera, contaminanti e/o sedimenti nei sistemi ingegnerizzati e marine micro-organismi o sedimento in oceano^1,2,3. In tali applicazioni, è spesso di interesse per capire come le particelle rispondono alla turbolenza, che richiede la misura simultanea della cinematica delle particelle e la dinamica dei fluidi.

Le tecnologie esistenti per misurare movimenti delle particelle, chiamate particelle di rilevamento (PT), che tiene traccia delle singole particelle traiettorie e la tecnica statistica di particle image velocimetry^4,5 (PIV), utilizzato per misurare il flusso velocità, entrambi incorporano tecniche ottiche non intrusiva. La sfida principale nell’utilizzo di queste tecniche ottiche non intrusiva per misurare il flusso e la particella cinematica contemporaneamente è l’illuminazione separata richiesta per ogni tecnica di imaging che non può interferire con dell’altro misurazione precisione ( ad esempio, la fonte di illuminazione per la misura della cinematica delle particelle non può agire come una fonte di rumore significativo nella misurazione della velocità del fluido e viceversa). Il contrasto dell’immagine in entrambi gli insiemi di immagini deve essere sufficiente per ottenere risultati affidabili. Ad esempio, le immagini di PT sono convertite in immagini in bianco e nero al fine di eseguire un’analisi di blob per determinare le posizioni delle particelle; così, contrasto insufficiente porta a errori nella posizione della particella. Scarso contrasto pari a PIV immagini un basso rapporto segnale-rumore che causerà imprecisioni nella stima della velocità del fluido.

Qui, un relativamente basso costo e semplice metodo per misurare simultaneamente entrambe le velocità cinematica e flusso di particelle è descritto. Attraverso l’uso di una luce monocromatica ad alta potenza che emettono linea diodo (LED) luce, dove la linea si riferisce alla luce e laser ad alta intensità doppia testina, entrambe le particelle di interesse e il campo di flusso sono Imaging contemporaneamente nella stessa regione. L’alto potere del LED è sufficiente per l’imaging delle particelle (cingolate) dalla telecamera ad alta velocità ma non impatto le immagini PIV poiché l’intensità della luce sparso da traccianti PIV è troppo basso. Quando il laser ad alta intensità doppia testina illumina il campo di flusso per le immagini PIV, si verifica in un intervallo di tempo breve e queste immagini sono facilmente identificate e rimossi dalla serie tempo ottenuti dalla telecamera ad alta velocità PT quando vengono registrati. PIV laser impulsi registrati nel tempo immagini ad alta velocità (usato per particella di rilevamento) serie possono essere minimizzati eseguendo non i due sistemi al frame rate di acquisizione che sono commisurati a vicenda. Nelle configurazioni più avanzate, uno potrebbe innescare esternamente le telecamere PT e PIV con un ritardo che garantirebbe che questo non accade. Infine, da un’attenta considerazione della quantità di particelle rilevate nel PIV campo visivo (FOV), eventuali errori introdotti da queste particelle rilevate in analisi di correlazione di immagini PIV già si tiene conto per la stima dell’errore complessivo, compresi gli errori associati con distribuzione non uniforme di traccianti PIV all’interno della finestra di interrogatorio. La stragrande maggioranza dei PIV semina traccianti stanno seguendo il flusso, producendo le stime di velocità di flusso preciso. Queste tecniche consentono la misura diretta simultanea di entrambi la cinematica e flusso campo particella in un piano bidimensionale.

Questa tecnica è illustrata applicandolo per determinare delle particelle stabilirsi caratteristiche in un flusso turbolento, simile a quello utilizzato negli studi di Yang e timido⁶ e Jacobs et al. ⁷. sedimentazione delle particelle è la fase finale nel trasporto di sedimenti, che in genere consiste di sospensione dei sedimenti, trasporto e sedimentazione. Nella maggior parte degli studi precedente che hanno affrontato delle particelle stabilirsi in flussi turbolenti, o traiettorie delle particelle o turbolenta velocità non sono misurate direttamente ma dedotta teoricamente o modellato^8,9,10. Dettagli sulle interazioni tra particelle e turbolenza più spesso sono stati studiati utilizzando modelli teorici e numerici a causa delle limitazioni sperimentali in misura entrambi contemporaneamente^6,11. Presentiamo uno studio finalizzato di interazione particella-turbolenza in una struttura di griglia oscillante, dove si studiano la velocità di sedimentazione delle particelle e loro accoppiamento con turbolenza. Per chiarezza, in seguito si farà riferimento alle particelle sotto inchiesta come “particelle” e le particelle semina utilizzate per la tecnica PIV come “traccianti”; Inoltre, si farà riferimento alla fotocamera utilizzata per l’imaging ad alta velocità delle traiettorie delle particelle come il “rilevamento delle particelle”, “PT” o “alta velocità” fotocamera, che misura “immagini ad alta velocità” e la fotocamera utilizzata per il metodo PIV “fotocamera PIV”, che misura “immagini”. Il metodo qui descritto consente la misura simultanea di particelle cinematica e dinamica dei fluidi sopra un campo pre-definito di interesse all’interno della struttura. I dati ottenuti forniscono una descrizione bidimensionale dell’interazione particella-turbolenza.