Eş zamanlı ölçüm türbülans ve akış görüntüleme teknikleri kullanarak parçacık kinematik
Summary
Burada açıklanan teknik parçacık kinematik ve türbülans akar düşük parçacık konsantrasyonları ile eşzamanlı olarak ölçmek için düşük maliyetli ve nispeten basit bir yöntem sunar. Türbülans partikül imaj velosimetri (PIV) ölçülür ve parçacık kinematik bir örtüşen alan bakış açısı yüksek hızlı kamera ile elde edilen görüntüler üzerinden hesaplanır.
Abstract
Türbülanslı akış, kirleticiler, deniz mikro-organizmalar, ve/veya çökeller okyanus, veya akışkan Yataklı reaktörler ve yanma süreçlerinde gibi parçacıklar kinematik anlayış bilimsel ve mühendislik alanlarında çok sayıda sorunları dahil Mühendislik sistemleri. Türbülans etkisi böyle akar parçacıklar kinematik çalışma için akış ve parçacık kinematik simultane ölçümleri gereklidir. Non-müdahaleci, optik akış ölçüm teknikleri türbülans ölçmek için veya parçacıklar, izleme için bulunmaktadır, ancak her ikisi de aynı anda ölçme teknikleri arasında girişime nedeniyle zor olabilir. Burada sunulan yöntem akışı ve parçacık kinematik simultane ölçümleri yapmak için düşük maliyetli ve nispeten basit bir yöntem sağlar. Bir kesit akış hızı ölçüm uçak için iki bileşenleri sağlar bir parçacık görüntü velosimetri (PIV) tekniği kullanılarak ölçülür. Geniş puls lazer tarafından dijital bir kamera görüntüsü numaralı seribaşı akışı alanı aydınlatma için bu tekniği kullanır. Parçacık kinematik aynı anda yansıma kullanarak bir ışık yayan diyot (LED) LINE lambasının düzlemsel bir kesit PIV alan bakış açısı ile (FOV) ile çakışıyor akışı aydınlatır. LINE lambasının yeterince düşük PIV ölçümleri etkilemez, ama yeterince güçlü ilgi büyük parçacıkların aydınlatmak için yüksek hızlı kamera kullanarak yansıma gücüdür. Lazer bakliyat üzerinden PIV tekniği içeren yüksek hızlı görüntüler her yüksek hızlı görüntü toplanan yoğunluk düzeyini incelenerek kolayca süzülür. Yüksek hızlı kamera kare hızı o PIV kamera kare hızı ile incommensurate yaparak, yüksek hızlı zaman serisi kirlenmiş kare sayısı en aza indirilebilir. Teknik ağırlıklı olarak iki boyutlu ortalama akışları için uygundur, en az 5 kez izleyiciler tohum PIV ortalama çapı ve konsantrasyon düşüktür parçacıklar içerir.
Introduction
Türbülanslı akış, parçacıklar davranışını örneğin ilgili bilimsel ve mühendislik alanlarında uygulamaları, aerosoller atmosfer, kirleticiler ve/veya çökeller mühendislik sistemleri ve deniz, çok sayıda var mikroorganizmalar veya tortu okyanus1,2,3. Bu tür uygulamalar genellikle nasıl partiküller parçacık kinematik ve akışkanlar dinamiği eş zamanlı ölçüm gerektirir türbülans için yanıt anlamak ilgi olacaktır.
Parçacık hareketleri, bireysel parçacık yörüngeler ve partikül imaj velosimetri4,5 (PIV) istatistiksel teknik takip izleme (PT), ivmelendirici ölçmek için mevcut teknolojilerin akışı ölçmek için kullanılan hızları, her ikisi de non-müdahaleci optik teknikleri dahil. Aynı anda hem akışı ve parçacık kinematik ölçmek için bu non-müdahaleci optik teknikleri kullanarak ana diğer ölçüm doğruluğu (ile müdahale edemezsin her görüntüleme tekniği için gerekli ayrı aydınlatma mücadeledir Örneğin, parçacık kinematik ölçme aydınlatma kaynağı önemli gürültü kaynağı sıvı hız ölçüm ve ahlak bozukluğu-çok yönlü olarak rol yapamaz). Görüntü kontrastı görüntülerin her iki kümedeki güvenilir sonuçlar elde etmek için yeterli olması gerekir. Örneğin, PT resim parçacık konumlarını belirlemek için bir blob analizi gerçekleştirmek için siyah beyaz görüntülere dönüştürülür; Böylece, yetersiz kontrast parçacık pozisyon hatalara yol açar. Zavallı kontrast PIV görüntüleri miktarda yanlışlıklar akışkan hızları tahmininde neden olacak bir düşük sinyal gürültü oranı.
Burada, aynı anda her iki parçacık kinematik ve akış hızları ölçmek için nispeten düşük maliyetli ve basit bir yöntem açıklanmıştır. Yüksek güçlü bir monokromatik ışık yayan diyot (LED) satırı ışık, nerede satır ışık diyafram ve çift kafalı yüksek yoğunluktaki lazer başvurur, kullanımı ile faiz ve akışı alan her iki parçacıkların aynı bölgede aynı anda görüntüsü. LED yüksek güç yüksek hızlı kamera tarafından (Zincirli) parçacıkların görüntüleme için yeterlidir ama PIV tarayıcıları dağınık ışık yoğunluğu çok düşük olduğundan PIV görüntüleri etkisi yoktur. Ne zaman bir kısa zaman aralığı üzerinde oluşur akışı alan PIV görüntüler için çift kafalı yüksek yoğunluktaki lazer aydınlatan ve bu görüntüleri kolayca belirlenir ve bunlar kaydedilir zaman yüksek hızda PT kamera tarafından elde edilen zaman serisinden kaldırıldı. PIV lazer bakliyat serisi iki sistem birbirleriyle orantılı çerçeve kazanım hesaplı çalıştırarak değil minimize edilebilir yüksek hızlı görüntü (parçacık izleme için kullanılan) zamanında kaydedildi. Daha gelişmiş ayarlar içinde bir harici PT ve PIV fotoğraf makinesi bu değil durum sağlayacak bir gecikme ile tetikleyebilir. Son olarak, tarafından dikkatli bir değerlendirme parçacıklar PIV görüş alanı içinde (FOV) izlenen tutarın PIV görüntüleri korelasyon analizinde izlenen bu parçacıklar tarafından tanıtılan hataları zaten dikkate genel hata tahmini tarafından alınır, PIV izleyiciler sorgu penceresi içinde olmayan evrensel boyutu dağılımı ile ilişkili dahil hatalar. İzleyiciler tohum PIV büyük çoğunluğu akış, doğru akış hızı tahminleri verimli izliyorsunuz. Bu teknikler her iki parçacık kinematik ve akış alanı iki boyutlu düzlemde aynı anda doğrudan ölçümü etkinleştirin.
Bu çalışmalarda Yang ve utangaç6 ve Jacobs ve ark. tarafından kullanılan benzer bir türbülanslı akış özellikleri yerleşme parçacık belirlemek için uygulayarak bu teknik gösterilmiştir 7. parçacık yerleşme genellikle tortu süspansiyon, taşıma ve yerleşme oluşan sediment taşıma son aşamasında olduğunu. Türbülanslı akış içinde yerleşme parçacık ele sahip çoğu önceki çalışmaları, ya parçacık yörüngeleri veya çalkantılı hızları değil doğrudan ölçülür ama teorik olarak anlaşılmaktadır veya8,9,10modellenmiştir. Parçacıklar ve türbülans arasındaki etkileşimleri ile ilgili ayrıntılar en sık araştırdık her ikisi de aynı anda ölçüm deneysel sınırlamaları nedeniyle teorik ve sayısal modeller kullanarak6,11. Biz nereye biz çalışma dispersiyon hız parçacıklar ve onların kaplin türbülans ile salınan bir kılavuz tesiste bir parçacık-türbülans etkileşimi örnek çalışma mevcut. Anlaşılır olması için bundan sonra biz parçacıklar “parçacıklar” ve “izleyiciler”; PIV tekniği için kullanılan tohum parçacıklar olarak soruşturma altında sevk edecektir Ayrıca, biz parçacık yörüngeleri yüksek hızlı görüntüleme “parçacık izleme”, “PT” veya “yüksek hızlı görüntü” ve “PIV kamera” PIV yöntemi için kullanılan kamera ölçer, “yüksek hızlı” fotoğraf makinesi olarak kullanılan kamera sevk edecektir, “resimler” ölçer. Burada açıklanan yöntemi parçacıklar kinematik ve akışkanlar dinamiği eş zamanlı ölçüm tesis içinde ilgi önceden tanımlanmış bir alan sağlar. Elde edilen verileri parçacık-türbülans etkileşimi iki boyutlu bir açıklamasını sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada anlatılan yöntem nispeten ucuz ve aynı anda parçacık yörüngeler ve türbülans akış etkisi parçacık kinematik incelemek için ölçmek için basit bir yol sağlar. Bu akışı veya güçlü üç boyutlu parçacık hareketleri bu teknik için uygun olmadığını söylemeyi dikkat çekicidir. Uçak hareket izleme 2D ve PIV analiz hataları17 neden olur ve indirilmelidir. Ayrıca, yöntem (sırasına parçacıklar PT resim başına onlarca) nispeten düşük olarak izlenen parçac?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser bölümlerini II-VI Vakfı ve kıyı Carolina Professional geliştirme Grant tarafından desteklendi. Ayrıca Corrine Jacobs, Marek Jendrassak ve William tüccar için deneysel kurulum yardımı kabul etmek istiyoruz.
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).
