Одновременное измерение турбулентности и Кинематика частицы с помощью потока, методы визуализации
Summary
Метод, описанный здесь предлагает низкой стоимости и относительно простой метод одновременно измерения частиц кинематики и турбулентности потоков частиц низкой концентрации. Турбулентность измеряется с помощью частицы изображения Велосиметрия (PIV), и Кинематика частицы рассчитываются на основе изображений, полученных с помощью высокоскоростной камеры в перекрывающихся поля зрения.
Abstract
Многочисленные проблемы в научной и инженерной областях включают Понимание кинемо частиц в турбулентных потоков, такие загрязнители, морских микроорганизмов, и/или отложениях в океан, или кипящего реактора и процессов горения в инженерных систем. Для того чтобы изучить эффект турбулентности на Кинематика частицы в таких потоков, требуются одновременного измерения потока и частицы кинематики. Существуют методы измерения non навязчивым, оптического потока для измерения турбулентности, или для отслеживания частиц, но одновременно оба измерения может быть сложным из-за помех между методами. Метод, представленные в настоящем документе обеспечивает низкую стоимость и относительно простой метод для одновременного измерения потока и частиц кинематики. Поперечное сечение потока измеряется с помощью метода Велосиметрия (PIV) изображение частиц, которая обеспечивает два компонента скорости в плоскости измерения. Этот метод использует импульсный лазер для освещения в сеяный потока поля, отображаемого с помощью цифровой камеры. Кинематика частицы одновременно отражаются с помощью Светоиспускающий диод (LED) линии свет, который освещает плоское поперечное сечение потока, которая перекрывается с PIV поле зрения (FOV). Линии свет является достаточно малой мощности, что он не влияет на размеры PIV, но достаточно мощным, чтобы осветить более крупные частицы интерес образы с помощью высокоскоростной камеры. Высокоскоростной изображений, которые содержат лазерных импульсов от PIV технику легко фильтруются путем изучения уровня суммируются интенсивности каждого высокоскоростной изображения. Делая частота кадров высокоскоростной камеры несоизмеримы с этим частота кадров камеры PIV, можно минимизировать количество зараженных кадров высокоскоростной временных рядов. Техника подходит для средней потоков, которые являются преимущественно двумерной, содержат частицы, которые являются по крайней мере 5 раз средний диаметр PIV, посев Трейсеры и низкой концентрации.
Introduction
Существует большое количество приложений в научных и инженерных областях, которые включают поведение частиц в турбулентных потоков, например, аэрозолей в атмосфере, загрязнений и отложений в инженерных системах и морских микро организмов или отложениях в океан1,2,3. В таких приложениях это часто интерес понять как частицы реагировать турбулентность, которая требует одновременного измерения частиц кинематики и динамики жидкости.
Существующие технологии для измерения движения частиц, называется частица отслеживания (PT), которая отслеживает траекторий отдельных частиц и статистический метод частиц изображения Велосиметрия4,5 (PIV), используемый для измерения потока скорости, оба включают неинтрузивного оптических методов. Основной задачей в использовании этих неинтрузивного оптических методов измерения потока и частицы кинематики одновременно является отдельный освещения, необходимых для каждого изображения метод, который не может вмешиваться с другого измерения точности ( например, источник подсветки для измерения Кинематика частицы не может действовать как источник значительный шум в измерение скорости жидкости и наоборот). Контраст изображения в обоих наборов изображений должны быть достаточными для получения надежных результатов. К примеру PT изображения преобразуются в черно-белых изображений для того, чтобы выполнить анализ больших двоичных объектов для определения позиции частиц; Таким образом недостаточно контраст приводит к ошибкам в позиции частицы. Плохой контраст в PIV изображения составляет низкое соотношение сигнал шум, что приведет к неточности в оценке жидкости скоростей.
Здесь относительно недорогой и простой метод одновременно измерять обе скорости кинематики и потока частиц описан. Благодаря использованию мощных монохромные Светоиспускающий диод (LED) линия света, где линия относится к легкой диафрагмы и двойной головкой высокой интенсивности лазерного, частицы интерес и поля потока одновременно отражаются в том же регионе. Высокой мощности светодиод для изображений (гусеничный) частиц, высокоскоростной камеры достаточно, но не влияет PIV изображения, поскольку интенсивность света, рассеянного с PIV Трейсеры является слишком низким. Когда двойной головкой высокой интенсивности лазерного освещает поля потока для изображений, PIV, это происходит через короткий промежуток времени эти образы легко идентифицируются и удалены из временных рядов, полученные путем высокоскоростной камеры PT, когда они регистрируются. PIV лазерных импульсов, записанная во время скоростной изображения (используется для отслеживания частиц), серии может быть сведено к минимуму, не выполнив двух систем на приобретение кадров, которые сопоставимы друг с другом. В более продвинутых установок один внешне может спровоцировать камер PT и PIV с задержкой, что бы убедиться, что это не произойдет. Наконец путем тщательного рассмотрения количество частиц, отслеживаются в рамках PIV поле зрения (FOV), любые ошибки, представил эти гусеничные частиц в корреляционного анализа изображений PIV уже учитываются по общей оценке ошибки, включая ошибки, связанные с распределением неоднородной размер PIV Трейсеры в окне допроса. Подавляющее большинство PIV, посев Трейсеры следующие поток, дают точные потока скорость оценок. Эти методы позволяют одновременное прямое измерение как частица кинематики потока области и в двумерной плоскости.
Этот метод показан, применяя его определить частиц урегулирования характеристики в турбулентном потоке, аналогичного используемому в исследованиях Ян и застенчивая(ый)6 и Jacobs et al. 7. частица урегулирования является завершающим этапом в наносов, который обычно состоит из осадочных подвеска, транспорта и урегулирования. В большинстве предыдущих исследований, которые обратились частиц, поселившись в турбулентных течений либо траекторий частиц или турбулентного скорости не измеряется непосредственно, но теоретически выведенных или образцу8,9,10. Подробная информация о взаимосвязях между частицами и турбулентности чаще всего были расследованы с использованием теоретических и численных моделей ограниченностью экспериментальные измерения оба одновременно6,11. Мы представляем тематическое исследование взаимодействия частиц турбулентности в колебательный ГРИД, где мы изучаем скорость осаждения частиц и их соединение с турбулентности. Для ясности далее мы будем называть частиц под расследование как «частицы» и посева частиц используется для метода PIV как «трейсеры»; Кроме того, мы будем ссылаться на камеру, используется для высокоскоростной визуализации траекторий частиц как «частица отслеживание», «Пт» или «скоростной» камеры, который измеряет «высокоскоростной изображения» и используется для метода PIV «PIV камеры» камеры, которая меры «изображения». Метод, описанный здесь позволяет одновременное измерение частиц кинематики и динамики жидкости над полем предварительно определенный интерес в пределах объекта. Полученные данные предоставляет двумерные описания взаимодействия частиц турбулентности.
Protocol
Representative Results
Discussion
Метод, описанный здесь является относительно недорогим и обеспечивает простой способ одновременно измерять траекторий частиц и турбулентности в целях изучения влияния потока на Кинематика частицы. Примечательно отметить, что потоки или движения частиц, которые сильно трехмерной не ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Часть этой работы были поддержаны Фондом II-VI и прибрежные Каролина профессионального повышения Грант. Мы хотели бы также признать Коррин Джейкобс, Марек Jendrassak и Уильям купец для помочь с экспериментальной установки.
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).
