フロー イメージング技術を用いた粒子運動と乱流の同時測定
Summary
ここで説明する手法は、粒子運動と低粒子濃度の流れにおける乱流を同時に測定する低コストかつ比較的簡単な方法を提供しています。粒子画像流速測定法 (PIV) を用いて乱流、粒子の運動が重複するフィールド-の-ビューで高速カメラで得られた画像から計算されます。
Abstract
科学や工学の分野で多くの問題を含む汚染物質、海洋微生物、海洋、または流動床炉で堆積物と燃焼過程など、乱流中の粒子の運動を理解することシステムを設計されています。このような流れ中の粒子の運動の乱れの影響を研究するために両方の気流と粒子の運動の同時測定が必要です。非侵入、オプティカル フロー測定技術、乱流の測定や粒子を追跡するための存在が、技術間の干渉のために挑戦することができます両方を同時に測定します。ここに提示されたメソッドは、気流と粒子の運動の同時測定を行う低コストかつ比較的簡単な方法を提供します。流れの断面を用いて粒子画像流速測定法 (PIV) の技術、測定点における速度の 2 つのコンポーネントを提供します。この手法は、デジタル カメラによる撮影であるシード流れ場の照明のためのパルス レーザーを採用しています。粒子運動は、発光ダイオード (LED) 線、PIV の視野 (FOV) と重複する流れの 2 次元断面を照らす光を使用して同時に作成されます。ライト線は十分な低消費電力の PIV 計測には影響しませんが、高速カメラを用いた関心の大きい粒子を照らすには十分に強力なイメージです。PIV 手法からレーザー パルスを含む高速のイメージは、各高速画像の合計強度レベルを調べることで簡単にフィルター処理されます。高速カメラのフレーム レートを PIV カメラのフレーム レートの非整合させて、高速時系列で汚染されたフレームの数を最小化できます。技術は主に 2 次元平均流れに適した、少なくとも 5 回播種トレーサー、PIV の平均直径と低濃度の粒子を含んでいます。
Introduction
乱流場における粒子挙動を含む科学や工学の分野でアプリケーション、大気汚染物質やエンジニア リング システム、および海洋堆積物におけるエアロゾルの多数が存在します。マイクロ有機体または海1,2,3の沈殿物。このようなアプリケーションで粒子が乱流は、粒子の運動と流体力学の同時測定が必要に応答する方法を理解する関心の頻繁です。
粒子追跡 (PT)、個々 の粒子軌跡と粒子画像流速測定法4,5 (PIV) の統計的手法をトラックと呼ばれる、粒子の運動を測定する既存の技術流れを測定するために使用速度、両方は、非侵入型の光学技術を組み込みます。同時に両方の気流と粒子の運動を測定するこれらの非侵入型の光学技術を使用しての主な課題は他の測定精度 (干渉できないそれぞれのイメージングに必要な別の照明例えば粒子の運動を測定するための照明源として機能できません流体の速度計測と逆に大きなノイズ源)。画像のコントラストの画像の両方のセットには、信頼性の高い結果を得るのに十分な必要があります。たとえば、PT 画像はパーティクルの位置を決定するためのブロブ解析を実行するために黒と白の画像に変換されます。したがって、十分なコントラストは、パーティクルの位置のエラーに します。PIV 流体速度の推定に誤りが発生する低信号対雑音比の画像量でコントラストが低い。
ここでは、同時に両方の粒子の運動と流れの速度を測定するため比較的低コストでシンプルな方法を説明します。ハイパワー単色発光ダイオード (LED) 一筋の光、どこ行光絞り値、およびデュアル ヘッド高強度レーザーを参照しているの使用によって興味の粒子に流れ場が同じ地域に同時に作成されます。LED の高出力ですが高速カメラによる (履歴) 粒子のイメージングのための十分な PIV トレーサーからの散乱光の強度が低すぎるため PIV 画像は影響しません。ときデュアル ヘッド高強度レーザー点灯 PIV 画像に対する流れ場短い時間間隔で発生し、これらのイメージを簡単に識別および登録されたとき高速 PT カメラによって得られた時系列データから削除します。PIV レーザー シリーズは、お互いに見合ったフレーム集録レートで 2 つのシステムを実行しないことで最小化できる高速画像 (粒子追跡の使用) 時間で記録。高度な設定で、これが発生しないように、遅延と PT と PIV カメラを引き起こす可能性がある外部から 1 つ。最後に、PIV の視野 (FOV) 内で追跡される粒子の量を慎重に検討、によって PIV 画像の相関分析でこれらの追跡の粒子によって導入されたエラーがすでに考慮全体的な誤差評価によってPIV トレーサー尋問ウィンドウ内の非一様分布に関連するエラーを含む。トレーサーを播種 PIV の大半、流れを次正確な流量速度推定値を降伏します。これらの技術は、2次元平面粒子運動と流れ場の両方の直接計測を有効にします。
この手法は、乱流、ヤン ・恥ずかしがり屋6 ・ ジェイコブスらによる研究で用いられている類似の沈降性粒子を確認することを適用することで示されて7します。 一般的に浮遊、トランスポート、および解決から成っている、土砂移動の最終段階は、粒子の沈降。乱流中の粒子沈降を対処しているほとんどの事前調査で、粒子軌道または乱流速度直接測定されないが、理論的に推定されるまたは8,9,10をモデル化します。粒子群と乱れの相互作用の詳細についてよく調べた両方を同時に測定する実験の制限により理論的および数値モデルを用いた6,11。乱流と粒子とのカップリングの沈降速度を用いて振動のグリッド施設における粒子乱流との対話事例を紹介します。わかりやすくするため、我々 が呼びます「粒子」と「トレーサー」; として、piv 用シード粒子として調査中粒子さらに、我々 は「粒子追跡」、”PT”、または「高速画像」とカメラの PIV 法「PIV カメラ」の使用を測定する「高速」カメラとして粒子軌道の高速撮像用カメラを参照する「イメージ」を測定します。記載方法は、施設内の事前定義されたフィールド経由粒子運動学と流体力学の同時測定をできます。得られたデータは、二次元粒子乱れの相互作用についてを説明します。
Protocol
Representative Results
Discussion
記載法は比較的高価と同時に粒子運動に及ぼす流れの影響を調べるために粒子軌道と乱流を測定する簡単な方法を提供します。特筆したフローまたは強く三次元粒子の運動はこの手法に適してないです。面外運動は 2次元の軌跡の PIV 解析エラー17になり、最小化する必要があります。さらに、メソッドには、比較的低い (PT 画像あたり粒子の数) の順序を追跡した粒子の濃度…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品の一部は、II-VI の基礎および沿岸カロライナ プロ強化助成によってサポートされていました。我々 はまたコリーヌ ・ ジェイコブス、マレク Jendrassak およびウィリアムの商人が実験のセットアップに関するヘルプを確認したいと思います。
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
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