Méthodes de mesure de l'orientation et de rotation Taux de particules dans Turbulence 3D-imprimés

Summary

Nous utilisons l’impression 3D pour fabriquer des particules anisotropes en forme de vérins, de croix, de tétrades et de triades, dont les alignements et les rotations dans l’écoulement de fluide turbulent peuvent être mesurés à partir de plusieurs images vidéo simultanées.

Abstract

Les méthodes expérimentales sont présentées pour mesurer le mouvement des particules anisotropes de rotation et de translation dans les écoulements turbulents. La technologie d'impression 3D est utilisé pour fabriquer des particules avec bras minces connectés à un centre commun. Formes explorées sont des croix (deux barres perpendiculaires), vérins (trois barres perpendiculaires), triades (trois tiges en triangle symétrie plane), et tétrades (quatre armes dans la symétrie tétraédrique). Des procédés de production de l'ordre de 10000 particules par fluorescence teints sont décrits. Les mesures de résolution temporelle de leur orientation et la vitesse de rotation du corps solide sont obtenus à partir de quatre vidéos synchronisées de leur mouvement dans un écoulement turbulent entre oscillant grilles avec R _λ = 91. Dans ce relativement faible Reynolds flux de nombre, les particules advectées sont assez petits qu'ils se rapprochent de particules de traceur ellipsoïdales. Nous présentons les résultats des trajectoires en temps résolu en 3D de la position et l'orientation des particulesainsi que des mesures de leur taux de rotation.

Introduction

Dans une publication récente, nous avons introduit l'utilisation de particules fabriqués à partir de multiples bras minces pour mesurer le mouvement des particules de rotation dans la turbulence ^1. Ces particules peuvent être fabriquées en utilisant des imprimantes 3D, et il est possible de mesurer avec précision leur position, l'orientation, et la vitesse de rotation à l'aide de plusieurs caméras. L' utilisation d' outils de la théorie du corps mince, il peut être démontré que ces particules ont des ellipsoïdes efficaces ² correspondant, et les mouvements de ces particules de rotation sont identiques à celles de leurs ellips....

Protocol

1. Fabrication de particules

1. Utilisez un programme de dessin assisté par ordinateur en 3D pour créer des modèles de particules. Exporter un fichier par modèle dans un format de fichier qui peut être traité par l'imprimante 3D utilisée.
   1. Utilisez la commande Cercle pour dessiner un cercle d'un diamètre de 0,3 mm. Utilisez la fonction Extrusion pour faire un cylindre d'une longueur de 3 mm.
   2. Faire une croix avec deux cylindres orthogonaux avec un centre commun; faire une prise à trois cylindres mutuellement orthogonales avec un centre commun; faire une tétrade avec quatre cylindres partageant un but commun à 109,5 ° angles les uns aux autres....

Results

La figure 3a montre une image d'une tétrade d'un de nos caméras au- dessus d' un terrain de l'angles d' Euler obtenu à partir d' une section de sa trajectoire (Figure 3c). Dans la figure 3b, les résultats de l'algorithme d'orientation d'enquête, décrite dans le protocole de 5 à 5,3, sont superposées sur l'image de tétrade. Les bras de la tétrade sur la figure 3a ne suivent pas les distributions d'intensité simples qui so.......

Discussion

Les mesures de la vorticité et la rotation des particules dans l'écoulement de fluide turbulent ont longtemps été reconnus comme des objectifs importants en mécanique des fluides expérimentaux. La rotation du corps solide de petites sphères en turbulence est égale à la moitié du tourbillon de fluide, mais la symétrie de rotation de sphères a une mesure directe de leur rotation difficile corps solide. Traditionnellement, le tourbillon de fluide a été mesurée à l' aide complexe, multi-capteur, à fil chaud sonde ^14.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Condor Nd :YAG 50 W laser	Quantronics	532-30-M
Caméra haute vitesse	Basler	A504k
Caméra haute vitesse	Mikrotron	EoSens Mc1362
Rhodamine-B	ScienceLab.com	SLR1465
Hydroxyde de sodium	Macron	7708	Pellets.
500 Imprimante 3D Connex	Objet Utilisé		pour fabriquer des particules plus petites. Particules commandées à RP+M (prototypage rapide plus fabrication).
VeroClear	Stratasys	RGD810	Objet matériau de construction.
Résine photopolymère Clear Form 1	Formlabs
Objectifs			à monture F.
Bain à ultrasons	Sonicator
Chlorure de calcium	Spectrum Chemical Mfg. Corp.	CAS 10043-52-2	Granulés.
Logiciel de conception de systèmes LabVIEW	National Instruments		Utilisé pour déclencher des caméras, une grille de contrôle et un laser.
Logiciel XCAP	EPIX		Utilisé avec LabVIEW pour déclencher des caméras.
MATLAB	Mathworks		Utilisé pour l’analyse d’images et de données. Des programmes permettant d’extraire des orientations 3D à partir de plusieurs images sont inclus dans cette publication.
OpenPTV : Open Source Particle Tracking Velocimetry	Consortium OpenPTV ParaView
	Kitware
AutoCAD	AutoDesk		Utilisé pour concevoir toutes les particules. Les captures d’écran des conceptions de particules sont toutes d’AutoCAD.
Maille avec trous de 0,040 x 0,053 pouce	Filet industriel	XN5170&ndash ; 43.5
Filtres de caméra	Schneider Optics	B+W 040M