अभिविन्यास और रोटेशन की दर को मापने के लिए तरीके 3 डी-मुद्रित अशांति में कण
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
प्रयोगात्मक विधियों अशांत द्रव प्रवाह में anisotropic कणों की बारी-बारी से और translational गति को मापने के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं। 3 डी प्रिंटिंग तकनीक एक आम केंद्र पर जुड़े पतला हथियारों के साथ कणों के निर्माण के लिए प्रयोग किया जाता है। पार का पता लगाया आकार रहे हैं (दो सीधा छड़), जैक (तीन सीधा छड़), तीनों (त्रिकोणीय तलीय समरूपता में तीन छड़), और tetrads (tetrahedral समरूपता में चार हथियार)। 10,000 fluorescently रंगे कणों के आदेश पर उत्पादन के लिए तरीके वर्णित हैं। उनके अभिविन्यास और ठोस शरीर रोटेशन दर का समय हल माप आर λ = 91 के साथ ग्रिड oscillating इस अपेक्षाकृत कम रेनॉल्ड्स संख्या प्रवाह में जो अशांत प्रवाह में उनके प्रस्ताव के चार सिंक्रनाइज़ वीडियो से प्राप्त कर रहे हैं, advected कणों काफी छोटे हैं वे ellipsoidal दरियाफ्त कणों अनुमानित है। हम कणों की स्थिति और उन्मुखीकरण के रूप में की समय हल 3 डी trajectories के परिणाम पेशअच्छी तरह से उनके रोटेशन दरों की माप के रूप में।
Introduction
हाल ही में एक प्रकाशन में, हम अशांति 1 में कणों की घूर्णी गति को मापने के लिए कई पतला हथियारों से किए गए कणों के उपयोग की शुरुआत की। इन कणों को 3 डी प्रिंटर का उपयोग कर निर्मित किया जा सकता है, और यह सही उनकी स्थिति, अभिविन्यास मापने के लिए संभव है, और रोटेशन दर कई कैमरों का उपयोग कर। पतला शरीर के सिद्धांत से उपकरणों का उपयोग करना, यह दिखाया जा सकता है कि इन कणों को प्रभावी ellipsoids 2 इसी है, और इन कणों की बारी-बारी से गतियों उनके संबंधित प्रभावी ellipsoids के उन लोगों के लिए समान हैं। समान लंबाई के सममित हथियारों के साथ कण क्षेत्रों की तरह बारी बारी से। ऐसा ही एक कण एक जैक, जो तीन परस्पर सीधा हथियार इसके केंद्र में संलग्न है। एक जैक के हथियारों का रिश्तेदार लंबाई समायोजन किसी भी त्रि-अक्षीय दीर्घवृत्ताभ के लिए एक कण बराबर बना सकते हैं। एक हाथ की लंबाई शून्य के बराबर सेट है, तो यह एक क्रॉस, जिसका बराबर दीर्घवृत्ताभ एक डिस्क है बनाता है। पतला के बने कणहथियारों के अपने ठोस ellipsoidal समकक्षों के ठोस की मात्रा का एक छोटा सा अंश ले। नतीजतन, वे और अधिक धीरे धीरे तलछट, उन्हें घनत्व मैच के लिए आसान बना। यह बहुत बड़ा कणों के अध्ययन से ठोस ellipsoidal कणों के साथ सुविधाजनक है की अनुमति देता है। इसके अतिरिक्त, इमेजिंग काफी ज्यादा कण सांद्रता में प्रदर्शन किया जा सकता है क्योंकि कणों अन्य कणों से प्रकाश के एक छोटे अंश को ब्लॉक।
इस पत्र में, निर्माण और 3 डी-मुद्रित कणों की ट्रैकिंग के लिए तरीके दस्तावेज हैं। के रूप में कई कैमरों के द्वारा देखा कण पदों से गोलाकार कण के translational गति पर नज़र रखने के लिए उपकरण के कई समूहों 3,4 द्वारा विकसित किया गया है। परसा एट अल। 5 की स्थिति और छड़ कई कैमरों के द्वारा देखा के उन्मुखीकरण का उपयोग कर छड़ को ट्रैक करने के लिए इस दृष्टिकोण के लिए बढ़ा दिया। यहाँ, हम आकार की एक विस्तृत विविधता के कणों fabricating और उनके 3 डी झुकाव के पुनर्निर्माण के लिए तरीके प्रस्तुत करते हैं। इस वें प्रदान करता हैई संभावना नए आवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए जटिल आकार के साथ कणों की 3 डी ट्रैकिंग का विस्तार करने के लिए।
इस तकनीक को तैयार किया जा सकता है कि कण आकार की व्यापक रेंज की वजह से आगे के विकास के लिए काफी संभावना है। इन आकृतियों में से कई पर्यावरणीय प्रवाह, जहां आकार की एक विशाल सरणी में आ प्लवक, बीज, और बर्फ के क्रिस्टल में प्रत्यक्ष आवेदन किया है। कण घुमाव और अशांत प्रवाह 6 के मौलिक छोटे पैमाने पर गुणों के बीच कनेक्शन का सुझाव है कि इन कणों का घुमाव के अध्ययन के लिए नए तरीके अशांत झरना प्रक्रिया को देखने के लिए प्रदान करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
vorticity और अशांत द्रव का प्रवाह में कणों के रोटेशन की माप लंबे प्रयोगात्मक द्रव यांत्रिकी में महत्वपूर्ण लक्ष्यों के रूप में मान्यता दी गई है। अशांति में छोटे क्षेत्रों के ठोस शरीर रोटेशन आधा तरल पदार्थ vo…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
हम Susantha Wijesinghe जो डिजाइन और छवि संपीड़न प्रणाली हम का उपयोग निर्माण धन्यवाद। हम NSF अनुदान DMR-1208990 से समर्थन स्वीकार करते हैं।
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).
