Metoder for Måling Orientering og rotasjonshastigheten til 3D-trykt 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 presentert for å måle rotasjons og translasjonsbevegelse av anisotrope partikler i turbulent fluidstrømmer. 3D-utskrift teknologi brukes til å dikte partikler med slanke armer koblet til et felles senter. Shapes utforskes er kors (to vinkelrette stenger), knekter (tre vinkelrette stenger), triader (tre stenger i trekantet planar symmetri) og Tetrads (fire armer i tetrahedral symmetri). Fremgangsmåter for fremstilling av størrelsesorden 10.000 fluorescensmerket farget partikler er beskrevet. Tids løst målinger av deres orientering og solid-body rotasjonshastigheten er hentet fra fire synkroniserte videoer av deres bevegelse i en turbulent strømning mellom oscillerende nett med R λ = 91. I denne relativt lave Reynolds tall flyt, de advected partiklene er små nok at de omtrent ellipsoidiske tracer partikler. Vi presenterer resultatene av tids løst 3D baner av posisjon og orientering av partiklene somsamt målinger av deres rotasjonshastigheter.
Introduction
I en fersk publikasjon, introduserte vi bruk av partikler laget av flere slanke armer for å måle rotasjonsbevegelse av partikler i turbulens en. Disse partikler kan fremstilles ved bruk av 3D-skrivere, og det er mulig å måle deres posisjon, retning og rotasjonshastighet ved hjelp av flere kameraer. Ved hjelp av verktøy fra slank legeme teori, kan det vises at disse partiklene vil ha tilsvarende effektive ellipsoider 2, og rotasjonsbevegelser av disse partiklene er identiske med de av sine respektive effektive ellipsoider. Partikler med symmetriske armer like lange rotere som kuler. En slik partikkel er en jekk, som har tre innbyrdes vinkelrette armer festet ved sitt senter. Justering av de relative lengder av armene av en jekk kan danne en partikkel som tilsvarer en hvilken som helst tri-aksiale ellipsoide. Hvis lengden på en arm settes lik null, skaper dette et kors, hvis tilsvarende ellipsoide er en disk. Partikler laget av tynnarmene ta opp en liten brøkdel av det faste volum av deres faste ellipsoidiske motstykker. Som et resultat, de sedimentere saktere, noe som gjør dem lettere å tetthet kamp. Dette tillater studiet av mye større partikler enn det som er praktisk med faste ellipsoidiske partikler. I tillegg kan bilde utføres ved mye høyere partikkelkonsentrasjoner fordi partiklene blokkere en mindre del av lyset fra andre partikler.
I denne utredningen, er metoder for fabrikasjon og sporing av 3D-trykt partikler dokumentert. Verktøy for sporing translasjonsforskning bevegelse av sfæriske partikler fra partikkel stillinger som er sett av flere kameraer har blitt utviklet av flere grupper 3,4. Parsa et al. 5 utvidet denne tilnærmingen til å spore stenger ved hjelp av posisjon og orientering av stengene sett av flere kameraer. Her presenterer vi fremgangsmåter for tilvirkning av partikler av en rekke former og rekonstruere deres 3D orientering. Dette gir the mulighet til å utvide 3D sporing av partikler med komplekse former til et bredt spekter av nye applikasjoner.
Denne teknikken har stort potensial for videre utvikling på grunn av det store omfanget av partikkelformer som kan utformes. Mange av disse formene har direkte anvendelser i miljøstrømmer, hvor plankton, frø og iskrystaller kommer i en lang rekke former. Forbindelser mellom partikkel rotasjoner og grunnleggende småskala egenskaper turbulente strømmer 6 tyder på at studiet av rotasjoner av disse partiklene gir nye måter å se på det turbulente kaskade prosessen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Målinger av virvlingen og rotasjon av partikler i turbulent væskestrømmen har lenge vært anerkjent som viktige mål i eksperimentell fluidmekanikk. Det faste legeme-rotasjon av små kuler i turbulens er lik halvparten av fluidet virvlingen, men den rotasjonssymmetri av kuler har gjort direkte måling av deres faststoff-legeme rotasjon vanskelig. Tradisjonelt har væsken virvlingen er målt ved hjelp av komplekse, multi-sensor, sonder hot-ledning 14. Men disse sensorene kun få enkeltpunktvirvelmålinger i…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Susantha Wijesinghe som designet og konstruert for bildekomprimering systemet vi bruker. Vi erkjenner støtte fra NSF tilskuddet 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).
