Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in 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
Experimentele werkwijzen gepresenteerd voor het meten van de rotationele en translationele beweging van anisotrope deeltjes in turbulente vloeistofstromen. 3D printtechnologie wordt gebruikt om deeltjes met slanke armen verbonden bij een gemeenschappelijk middelpunt fabriceren. Vormen verkend zijn kruisingen (twee loodrechte staven), jacks (drie loodrechte staven), triaden (drie hengels in driehoekige vlakke symmetrie), en tetrads (vier armen in tetraëdrische symmetrie). Werkwijzen voor het produceren van in de orde van 10.000 fluorescerend gekleurd deeltjes worden beschreven. Tijdsopgeloste metingen van hun oriëntatie en solid-body draaisnelheid worden verkregen uit vier gesynchroniseerde video's van hun beweging in een turbulente stroming tussen oscillerende grids met R λ = 91. In deze relatief lage Reynolds nummer flow, de geadvecteerd deeltjes zijn klein genoeg dat ze benaderen ellipsoïde tracer deeltjes. presenteren wij gevonden van tijdsopgeloste 3D trajecten van positie en oriëntatie van de deeltjesevenals metingen van hun rotatie tarieven.
Introduction
In een recente publicatie introduceerden we het gebruik van deeltjes die uit meerdere dunne armen voor het meten roterende beweging van deeltjes in turbulentie 1. Deze deeltjes kunnen worden vervaardigd met behulp van 3D-printers, en het is mogelijk om nauwkeurig te meten hun positie, oriëntatie en rotatie snelheid met behulp van meerdere camera's. Gereedschap van slank lichaam theorie, kan worden aangetoond dat deze deeltjes in effectieve ellipsoïden 2 en de roterende bewegingen van deze deeltjes zijn dezelfde als die van de respectievelijke effectieve ellipsoïden. Deeltjes met een symmetrische armen van gelijke lengte te draaien zoals bollen. Een voorbeeld van zo'n deeltje is een jack, die drie onderling loodrechte armen bevestigd in het midden heeft. Aanpassen van de relatieve lengten van de armen van een vijzel kan een deeltje gelijk aan een tri-axiale ellipsoïde vormen. Als de lengte van een arm gelijk nul wordt gesteld, hierdoor ontstaat een kruis, waarvan de equivalente ellipsoïde is een schijf. Deeltjes gemaakt van slankewapens op te nemen een kleine fractie van de vaste omvang van hun vaste ellipsvormige tegenhangers. Daardoor sedimenteren ze langzamer, waardoor ze beter match dichtheid. Dit maakt het onderzoek mogelijk van veel grotere deeltjes dan handig met vaste ellipsoïdale deeltjes. Bovendien kan beeldvorming worden uitgevoerd bij veel hogere concentraties omdat de deeltjes deeltjes blokkeren een kleiner deel van het licht van andere deeltjes.
In dit document worden werkwijzen voor de productie en het volgen van 3D geprint deeltjes gedocumenteerd. Middelen voor het opsporen van de translatiebeweging van bolvormige deeltjes uit deeltjes posities zoals die door meerdere camera's zijn ontwikkeld door verschillende groepen 3,4. Parsa et al. 5 uitgebreid deze benadering staven met de positie en oriëntatie van de staven gezien door meerdere camera volgen. Hier presenteren we methoden voor het vervaardigen van deeltjes met een grote verscheidenheid van vormen en reconstrueren van de 3D oriëntatie. Dit biedt the mogelijkheid 3D volgen van deeltjes met complexe vormen te vergroten tot een groot aantal nieuwe toepassingen.
Deze techniek heeft een groot potentieel voor verdere ontwikkeling als gevolg van het brede scala van deeltjes vormen die kan worden ontworpen. Veel van deze vormen hebben directe toepassingen in milieu-flows, waarbij plankton, zaden en ijskristallen komen in een breed scala van vormen. Verbindingen tussen deeltjes rotaties en fundamentele kleinschalige eigenschappen van turbulente stromingen 6 suggereren dat de studie van de rotaties van deze deeltjes biedt nieuwe manieren om te kijken naar de turbulente cascade proces.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metingen van de vorticiteit en rotatie van deeltjes in turbulente fluïdumstroming al lang erkend als belangrijke doelen in experimentele vloeistofdynamica. Het vaste-body rotatie van bolletjes in turbulentie gelijk aan de helft van het fluïdum vorticiteit, maar de rotatiesymmetrie van bolletjes heeft directe meting van hun solid-body rotatie bemoeilijkt. Traditioneel is het fluïdum vorticiteit gemeten met behulp van complexe, multi-sensor hot-wire sondes 14. Maar deze sensoren alleen maar single-point vort…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Susantha Wijesinghe die ontworpen en gebouwd de beeldcompressie-systeem dat we gebruiken. Wij erkennen de steun van de NSF subsidie DMR-1208990.
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).
