Metoder til måling af Orientering og Rotation Sats for 3D-trykte Partikler i Turbulence
Summary
We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.
Abstract
Eksperimentelle metoder er præsenteret til måling af roterende og translatorisk bevægelse af anisotrope partikler i turbulente fluid strømmer. 3D-print teknologi bruges til at fremstille partikler med slanke arme forbundet ved en fælles center. Former udforsket er kors (to vinkelrette stænger), donkrafte (tre vinkelrette stænger), triader (tre stænger i trekantede plane symmetri) og firklange (fire arme i tetraedrisk symmetri). Fremgangsmåder til fremstilling af størrelsesordenen 10.000 fluorescens farvet partikler er beskrevet. Time-løst målinger af deres orientering og solid-body rotationshastighed opnås fra fire synkroniserede videoer af deres bevægelse i en turbulent strømning mellem oscillerende net med R λ = 91. I denne relativt lavt Reynolds tal flow, de føres med partikler er små nok at de tilnærme ellipsoide sporstof partikler. Vi præsenterer resultater af tid-løst 3D baner position og orientering af partiklerne somsamt målinger af deres rotationshastigheder.
Introduction
I en nylig publikation, vi introducerede brugen af partikler fremstillet fra flere slanke arme til måling roterende bevægelse af partikler i turbulens 1. Disse partikler kan fremstilles ved anvendelse af 3D-printere, og det er muligt nøjagtigt at måle deres position, orientering og rotationshastigheden ved hjælp af flere kameraer. Brug værktøjer fra slank krop teori, kan det vises, at disse partikler har tilsvarende effektive ellipsoider 2, og de roterende bevægelser af disse partikler er identiske med de af deres respektive effektive ellipsoider. Partikler med symmetriske arme af samme længde rotere ligesom kugler. En sådan partikel er en donkraft, der har tre indbyrdes vinkelrette arme fastgjort i centrum. Justering af de relative længder af armene på en donkraft kan danne en partikel, der svarer til enhver treakset ellipsoide. Hvis længden af den ene arm er sat lig med nul, dette skaber et indlæg, hvis tilsvarende ellipsoide er en disk. Partikler fremstillet af slankearme optager en lille del af den faste mængde af deres solide ellipsoide modstykker. Som et resultat, de sedimentere langsommere, hvilket gør dem lettere at densiteten kamp. Dette tillader studiet af meget større partikler, end det er praktisk med faste ellipsoide partikler. Derudover kan billeddannelse udføres ved koncentrationer meget højere partikel fordi partiklerne blokere en mindre brøkdel af lyset fra andre partikler.
I dette papir er fremgangsmåder til fremstilling og sporing af 3D-trykte partikler dokumenteres. Værktøjer til sporing af translationel bevægelse af sfæriske partikler fra partikel positioner som set af flere kameraer er blevet udviklet af flere grupper 3,4. Parsa et al. 5 udvides denne fremgangsmåde til at spore stænger ved hjælp af positionen og orienteringen af stængerne er set af flere kameraer. Her præsenteres fremgangsmåder til fremstilling af partikler af en lang række forskellige former og rekonstruere deres 3D orienteringer. Dette giver the mulighed for at udvide 3D sporing af partikler med komplekse former til en bred vifte af nye applikationer.
Denne teknik har stort potentiale for yderligere udvikling på grund af den brede vifte af partikler figurer, der kan udformes. Mange af disse figurer har direkte anvendelser i miljømæssige strømme, hvor plankton, frø og iskrystaller kommer i en bred vifte af former. Forbindelser mellem partikel rotationer og grundlæggende små egenskaber turbulente strømninger 6 tyder på, at studiet af rotationer af disse partikler giver nye måder at se på den turbulente kaskade processen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Målinger af hvirvelstyrke og rotation af partikler i turbulent væskestrøm har længe været anerkendt som vigtige mål i eksperimentelle fluid mekanik. Det faste-legeme rotation af små kugler i turbulens er lig med halvdelen af fluid vorticity, men rotationssymmetri af kugler har gjort direkte måling af deres solid-organ rotation vanskelig. Traditionelt har den flydende vorticity blevet målt under anvendelse komplekse, multi-sensor, hot-wire prober 14. Men disse sensorer kun få enkelt-punkts hvir…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Susantha Wijesinghe som konstrueret og fremstillet billedet kompression system, vi bruger. Vi anerkender støtte fra NSF tilskud DMR-1208990 den.
Materials
| Condor Nd:YAG 50W laser | Quantronics | 532-30-M | |
| High speed camera | Basler | A504k | |
| High speed camera | Mikrotron | EoSens Mc1362 | |
| Rhodamine-B | ScienceLab.com | SLR1465 | |
| Sodium Hydroxide | Macron | 7708 | Pellets. |
| 500 Connex 3D printer | Objet | Used to make smaller particles. Particles ordered from RP+M (rapid prototyping plus manufacturing). | |
| VeroClear | Stratasys | RGD810 | Objet build material. |
| Form 1+ 3D printer | Formlabs | Used to make larger particles. | |
| Clear Form 1 Photopolymer Resin | Formlabs | ||
| Cylindrical and spherical lenses | |||
| 200, 100, 50 mm macro camera lenses | F-mount. | ||
| Ultrasonic bath | Sonicator | ||
| Calcium Chloride | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | CAS 10043-52-2 | Pellets. |
| LabVIEW System Design Software | National Instruments | Used to trigger cameras, control grid, and trigger laser. | |
| XCAP Software | EPIX | Used with LabVIEW to trigger cameras. | |
| MATLAB | Mathworks | Used for all image and data analysis. Programs for extracting 3D orientations from multiple images are included with this publication. | |
| OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetry | OpenPTV Consortium | ||
| ParaView | Kitware | ||
| AutoCAD | AutoDesk | Used to design all particles. Screenshots of particle designs are all of AutoCAD. | |
| Mesh with 0.040 x 0.053 inch holes | Industrial Netting | XN5170–43.5 | |
| Camera filters | Schneider Optics | B+W 040M |
References
- Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence. New J. Phys. 16, 102001 (2014).
- Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).
- Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).
- Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid. Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501 (2012).
- Parsa, S., Voth, G. Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence. Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501 (2014).
- Tsai, R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).
- Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence. Phys. Fluids. 22 (1), 015107 (2010).
- Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. Experimental study of relative, turbulent diffusion. RISO Internal Report. , (1999).
- Chan, K., Stich, D., Voth, G. Real-time image compression for high-speed particle tracking. Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704 (2007).
- Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. . Classical Mechanics, 3rd Edition. , 134-180 (2002).
- Parsa, S. . Rotational dynamics of rod particles in fluid flows. , (2013).
- Wijesinghe, S. . Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence. , (2012).
- Wallace, J., Foss, J. The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows. Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).
- Su, L., Dahm, W. Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors. Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).
- Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow. J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).
- Frish, M., Webb, W. Direct measurement of vorticity by optical probe. J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).
- Zimmerman, R., et al. Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906 (2011).
- Zimmerman, R., et al. Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow. Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501 (2011).
- Klein, S., Gibert, M. a. t. h. i. e. u., Bérut, A., Bodenschatz, E. Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow. Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).
- Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles. J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).
