Medida simultánea de la cinemática de la partícula usando técnicas de imagen de flujo y turbulencia

Existen un gran número de aplicaciones en campos científicos y de ingeniería que involucren el comportamiento de las partículas en el flujo turbulento, por ejemplo, aerosoles en la atmósfera, contaminantes o sedimentos en sistemas de ingeniería y Marina los microorganismos o sedimentos en el océano^1,2,3. En este tipo de aplicaciones, es a menudo de interés para entender cómo las partículas responden a las turbulencias, que requiere la medición simultánea de la cinemática de la partícula y la dinámica de fluidos.

Tecnologías existentes para medir movimientos de la partícula, llamados rastreo de partículas (PT), que rastrea la trayectoria de la partícula individual y la técnica estadística de partículas imagen velocimetry^4,5 (PIV), utilizan para medir el flujo velocidades, ambos incorporan técnicas ópticas no intrusiva. El principal desafío en el uso de estas técnicas ópticas no intrusiva para medir simultáneamente la cinemática del flujo y la partícula es la iluminación independiente para cada técnica de imagen que no puede interferir con la medición exactitud ( por ejemplo, la fuente de iluminación para la medición de la cinemática de la partícula no puede actuar como una fuente de ruido importante en la medición de la velocidad del fluido y viceversa). El contraste de la imagen en ambos conjuntos de imágenes debe ser suficiente para obtener resultados fiables. Por ejemplo, las imágenes de PT se convierten en imágenes en blanco y negro con el fin de realizar un análisis de blob para determinar las posiciones de la partícula; así, el contraste insuficiente conduce a errores en la posición de la partícula. Contraste pobre en cantidad de imágenes PIV a un cociente signal-to-noise bajo que provocarán inexactitudes en la estimación de las velocidades del fluido.

Aquí, se describe un método relativamente simple y de bajo costo para medir simultáneamente dos velocidades de cinemática y el flujo de partículas. Mediante el uso de una alta potencia de luz monocromática emite luz, de la línea de diodo (LED) donde la línea se refiere a la abertura de luz y doble cabeza láser de alta intensidad, tanto las partículas de interés y el campo de flujo se reflejada en la misma región al mismo tiempo. La alta potencia del LED es suficiente para la proyección de imagen de las partículas (orugas) de la cámara de alta velocidad pero no afecta a las imágenes PIV porque la intensidad de la luz dispersada de trazadores PIV es demasiado baja. Cuando el láser de alta intensidad de doble cabeza ilumina el campo de flujo de las imágenes PIV, se produce en un intervalo a corto plazo y estas imágenes son fácilmente identificadas y eliminadas de la serie de tiempo obtenida por la cámara de alta velocidad PT cuando se registran. PIV láser de pulsos registrados en el tiempo (utilizado para el rastreo de partículas) de alta velocidad imagen serie puede minimizarse por no ejecutar los dos sistemas a precios de adquisición de marco que son proporcionales entre sí. En las configuraciones más avanzadas, uno podría desencadenar externamente las cámaras PT y PIV con un retraso que asegure que esto no sucede. Finalmente, por una cuidadosa consideración de la cantidad de partículas que se rastrean en el campo de visión (FOV) de PIV, los errores introducidos por estas partículas seguidas en el análisis de correlación de imágenes PIV son ya tenidos en cuenta por la general estimación de error, incluyendo errores asociados con la distribución de tamaño no uniforme de trazadores PIV en la ventana de interrogación. La gran mayoría de la PIV marcadores de siembra siguiendo el flujo, produciendo estimaciones de velocidad de flujo exacta. Estas técnicas permiten la medida directa simultánea de ambos la partícula cinemática y el flujo de campo en un plano bidimensional.

Esta técnica se demuestra aplicando para determinar partículas colocar las características de un flujo turbulento, similar a la utilizada en los estudios por Yang y tímido⁶ y Jacobs et al. ⁷. partícula de adaptación es la etapa final en transporte de sedimentos, que generalmente consiste en suspensión de sedimento transporte y asentamiento. En la mayoría estudios anteriores que han abordado la partícula en el flujo turbulento, o trayectorias de la partícula o velocidades turbulentas no son directamente medidos pero deducido teóricamente modelado^8,9,10. Detalles sobre las interacciones entre las partículas y las turbulencias han sido investigados más a menudo posible usando modelos teóricos y numéricos debido a las limitaciones experimentales en la medición de ambos al mismo tiempo^6,11. Presentamos un estudio de caso de interacción partícula-turbulencia en una instalación de rejilla oscilante, donde se estudia la velocidad de sedimentación de las partículas y su acoplamiento con turbulencia. Para mayor claridad, en lo sucesivo nos referiremos a las partículas del objeto de investigación en “partículas” y la siembra utilizado en la técnica PIV como “trazadores”; Además, nos referiremos a la cámara que se utiliza para la proyección de imagen de alta velocidad de las trayectorias de partículas como “rastreo de partículas”, “PT” o “alta velocidad”, cámara que mide “imágenes de alta velocidad” y la cámara se utiliza para el método PIV la “cámara PIV”, que medidas de “imágenes”. El método aquí descrito permite la medida simultánea de la cinemática de partículas y dinámica de fluidos sobre un campo predefinido de interés dentro de las instalaciones. Los datos obtenidos proporcionan una descripción de dos dimensiones de la interacción de partículas turbulencia.