Métodos para medir a orientação e rotação Taxa de partículas em Turbulência 3D-impressos
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
Métodos experimentais são apresentados para medir o movimento de rotação e de translação de partículas anisotrópicos em fluxos de fluido turbulentos. A tecnologia de impressão 3D é usado para fabricar partículas com braços delgados ligados a um centro comum. Shapes exploradas são cruzes (duas hastes perpendiculares), macacos (três hastes perpendiculares), tríades (três hastes na simetria planar triangular), e tetrads (quatro braços em simetria tetraédrica). Métodos para a produção da ordem de 10.000 partículas tingidos fluorescentemente são descritos. Medições resolvida no tempo da respectiva orientação e taxa de rotação de corpo sólido são obtidos a partir de quatro vídeos sincronizados de seu movimento em um fluxo turbulento entre grades oscilantes com R λ = 91. Neste Reynolds baixo fluxo relativamente número, as partículas advectado são pequenos o suficiente que se aproximem partículas tracer elipsoidais. Nós apresentamos resultados de trajetórias 3D resolvidas no tempo de posição e orientação das partículas comobem como medições das suas velocidades de rotação.
Introduction
Em recente publicação, que introduziu o uso de partículas feitas a partir de múltiplos braços delgados para medir o movimento rotacional de partículas na turbulência 1. Estas partículas podem ser fabricadas usando impressoras 3D, e é possível medir com precisão a sua posição, orientação e taxa de rotação usando múltiplas câmeras. Usando ferramentas de teoria de corpo delgado, pode ser demonstrado que estas partículas têm elipsóides eficazes 2 correspondente, e os movimentos de rotação destas partículas são idênticos àqueles dos respectivos elipsóides eficazes. Partículas com braços simétricos de comprimento igual giram como esferas. Uma tal partícula é uma tomada, que tem três braços perpendiculares entre si ligado no seu centro. Ajustando os comprimentos relativos dos braços de uma tomada pode formar uma partícula equivalente a qualquer elipsóide triaxial. Se o comprimento de um braço é definida igual a zero, isto cria uma cruz, cujo elipsóide equivalente é um disco. Partículas feitas de delgadobraços ocupam uma pequena fração do volume sólido de suas contrapartes elipsoidais sólidos. Como resultado, eles sedimentam mais lentamente, tornando-os mais fácil de combinar densidade. Isto permite o estudo das partículas muito maiores do que é conveniente, com partículas elipsoidais sólidos. Além disso, a imagem pode ser realizado a concentrações de partículas muito mais elevadas, porque as partículas bloquear uma fracção menor da luz a partir de outras partículas.
Neste trabalho, métodos de fabricação e controle de partículas impresso-3D são documentados. Ferramentas para seguir o movimento de translação de partículas esféricas a partir de posições de partículas como pode ser visto por várias câmaras foram desenvolvidas por vários grupos 3,4. Parsa et ai. 5 estendido esta abordagem para rastrear hastes utilizando a posição e orientação das barras visto por várias câmaras. Aqui, nós apresentamos os métodos para a fabricação de partículas de uma larga variedade de formas e reconstruindo as suas orientações em 3D. Isto oferece the possibilidade de alargar o acompanhamento 3D de partículas com formas complexas para uma ampla gama de novas aplicações.
Esta técnica tem um grande potencial para o desenvolvimento por causa da grande variedade de formas de partículas que podem ser projetados. Muitas destas formas têm aplicações diretas dos fluxos ambientais, onde plâncton, sementes e cristais de gelo vêm em uma ampla variedade de formas. As ligações entre as rotações de partículas e propriedades fundamentais de pequena escala de escoamentos turbulentos 6 sugerem que o estudo de rotações dessas partículas proporciona novas maneiras de olhar para o processo em cascata turbulento.
Protocol
Representative Results
Discussion
As medições da vorticidade e rotação de partículas no fluxo de fluido turbulento têm sido reconhecidos como metas importantes em mecânica dos fluidos experimentais. A rotação do corpo sólido de pequenas esferas em turbulência é igual a metade da vorticidade fluido, mas a simetria rotacional de esferas fez a medição directa da sua rotação de corpo sólido difícil. Tradicionalmente, a vorticidade fluido foi medida usando complexo, multi-sensor, hot-wire sondas 14. Mas estes sensores só obter m…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos Susantha Wijesinghe que projetou e construiu o sistema de compressão de imagem que usamos. Nós reconhecemos o apoio da DMR-1208990 concessão NSF.
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
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