Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas

Existem um grande número de aplicações em campos científicos e de engenharia que envolvem o comportamento de partículas em escoamentos turbulentos, por exemplo, de aerossóis na atmosfera, contaminantes e/ou sedimentos em sistemas projetados e da Marinha micro-organismos ou sedimentos no oceano^1,2,3. Em tais aplicações, muitas vezes é de interesse de entender como as partículas respondem a turbulência, que exige medida simultânea da cinemática da partícula e a dinâmica dos fluidos.

Tecnologias existentes para medir os movimentos de partículas, chamados partícula de rastreamento (PT), que rastreia as trajetórias das partículas individuais e a técnica estatística de particle image velocimetry^4,5 (PIV), usado para medir o fluxo velocidades, ambos incorporam técnicas ópticas não-intrusiva. O principal desafio na utilização destas técnicas ópticas não-intrusiva para medir o fluxo e a partícula cinemática simultaneamente é a iluminação separada exigida para cada técnica de imagem que não pode interferir com do outro medição (precisão por exemplo, a fonte de iluminação para medir a cinemática da partícula não pode atuar como uma fonte significativa de ruído na medição da velocidade do fluido e vice-versa). O contraste da imagem em ambos os conjuntos de imagens deve ser suficiente para obter resultados fiáveis. Por exemplo, as imagens de PT são convertidas em imagens em preto e branco a fim de realizar uma análise de blob para determinar as posições das partículas; assim, o contraste insuficiente leva a erros na posição da partícula. Contraste pobre em quantidades de imagens PIV para uma baixa relação sinal-ruído que causará imprecisões na estimativa das velocidades da fluido.

Aqui, um método relativamente simples e baixo custo para medir simultaneamente ambas as velocidades de cinemática e fluxo da partícula é descrito. Através da utilização de uma luz monocromática de alta potência, emitindo luz, linha de diodo (LED) onde a linha refere-se à abertura de luz e dual-cabeça do laser de alta intensidade, ambas as partículas de interesse e o campo de fluxo são fotografadas na mesma região, simultaneamente. A alta potência do LED é suficiente para a imagem das partículas (rastreadas) pela câmera de alta velocidade, mas não afeta as imagens PIV, porque a intensidade da luz espalhada de traçadores PIV é muito baixa. Quando o laser de alta intensidade dupla-cabeça acende-se o campo de fluxo para as imagens PIV, ocorre durante um curto intervalo de tempo, e essas imagens são facilmente identificadas e retiradas da série de tempo obtida pela câmera de alta velocidade PT, quando eles são registrados. PIV laser pulsos gravados na época de imagem de alta velocidade (usada para rastreamento de partícula) série pode ser minimizado pela não execução dos dois sistemas em taxas de aquisição de quadros que são proporcionais entre si. Em configurações mais avançadas, um poderia provocar externamente os PT e PIV câmeras com um atraso que iria garantir que isso não acontece. Finalmente, por consideração cuidadosa da quantidade de partículas sendo controladas dentro do PIV campo de visão (FOV), quaisquer erros introduzidos por essas partículas controladas na análise de correlação de imagens PIV são já tidos em conta pela estimativa de erro global, incluindo erros associados com a distribuição de tamanho não-uniforme dos marcadores PIV dentro da janela de interrogatório. A grande maioria do PIV semeadura marcadores está seguindo o fluxo, produzindo estimativas de velocidade de fluxo precisa. Estas técnicas permitem a medição directa simultânea de ambas as partículas cinemática e fluxo de campo em um plano bidimensional.

Essa técnica é demonstrada por aplicá-lo para determinar a partícula se estabelecer características em um fluxo turbulento, semelhante ao utilizado em estudos por Yang e tímido⁶ e Jacobs et al ⁷. partícula liquidação é o estágio final no transporte de sedimentos, que geralmente consiste em suspensão de sedimentos, transporte e sedimentação. Na maioria dos estudos anteriores que abordaram a partícula, fixando-se em escoamentos turbulentos, ou trajetórias de partículas ou turbulentas velocidades não são medidas diretamente, mas deduzido teoricamente ou modelado^8,9,10. Detalhes sobre as interações entre partículas e turbulência mais frequentemente foram investigados usando modelos teóricos e numéricos devido às limitações experimentais em medir ambos simultaneamente^6,11. Apresentamos um estudo de caso de interação de partículas-turbulência em uma instalação de grade oscilante, onde estudamos a velocidade de sedimentação de partículas e seu acoplamento com turbulência. Para maior clareza, doravante nos referiremos às partículas sob investigação como “partículas” e as partículas de propagação utilizadas para a técnica PIV como “marcadores”; Além disso, vamos nos referir a da câmera usada para o tratamento de imagens de alta velocidade das trajectórias de partículas como o “rastreamento de partículas”, “PT” ou “alta velocidade” câmera, que mede a câmera usado para o método PIV a “câmera PIV” e “imagens de alta velocidade”, que medidas de “imagens”. O método aqui descrito permite a medição simultânea de partículas cinemática e dinâmica dos fluidos em um campo pré-definido de interesse dentro da instalação. Os dados obtidos fornecem uma descrição bidimensional da interação das partículas-turbulência.