Metoder för att mäta Orientering och rotationshastighet av 3D-tryckt Partiklar 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

Experimentella metoder presenteras för att mäta rotations och translationsrörelse av anisotropa partiklar i turbulenta fluidströmmar. 3D tryckteknik används för att tillverka partiklar med smala armar anslutna till ett gemensamt centrum. Former utforskas är korsningar (två vinkelräta stavar), uttag (tre vinkelräta stavar), triader (tre stavar i triangulär plan symmetri), och tetrads (fyra armar i tetraedrisk symmetri). Metoder för att producera i storleksordningen 10.000 fluorescent färgade partiklar beskrivs. Tidsupplösta mätningar av deras orientering och solid kropp rotationshastighet erhålls från fyra synkroniserade videor av deras rörelse i en turbulent flöde mellan oscillerande nät med R _λ = 91. I denna relativt låga Reynolds tal flöde, de advected partiklarna är tillräckligt små att de approximerar ellipsoida spårpartiklar. Vi presenterar resultaten av tidsupplösta 3D banor av position och orientering av partiklarna somsamt mätningar av deras rotationshastigheter.

Introduction

I en nyligen publicerad, introducerade vi användning av partiklar framställda från flera smala armar för att mäta rotationsrörelse av partiklar i turbulens ^1. Dessa partiklar kan framställas med hjälp av 3D-skrivare, och det är möjligt att exakt mäta sin position, orientering, och rotationshastighet med hjälp av flera kameror. Med hjälp av verktyg från smal kropp teori, kan det visas att dessa partiklar har motsvarande effektiva ellipsoider ² och rotationsrörelser hos dessa partiklar är identiska med dem i sina respektive effektiva ellipsoider. Partiklar med symmetriska armar lika långa rotera som sfärer. En sådan partikel är en domkraft, som har tre inbördes vinkelräta armar fastade vid dess centrum. Justering av de relativa längderna av armarna hos en domkraft kan bilda en partikel som motsvarar någon treaxlad ellipsoiden. Om längden på en arm sätts lika med noll, skapar detta ett kors, vars motsvarande ellipsoid är en skiva. Partiklar av smalarmar tar upp en liten del av den fasta volymen av deras fasta ellipsoida motsvarigheter. Som ett resultat, sedimenterar de långsammare, vilket gör dem lättare att densitets match. Detta gör det möjligt att studera mycket större partiklar än vad som är praktiskt med fasta ellipsoida partiklar. Dessutom kan avbildning utföras vid mycket högre koncentrationer partikel eftersom partiklarna blockerar en mindre fraktion av ljuset från andra partiklar.

I detta dokument är metoder för tillverkning och spårning av 3D-tryckt partiklar dokumenteras. Verktyg för att spåra translationsrörelsen av sfäriska partiklar från partikelpositioner som ses av flera kameror har utvecklats av flera grupper ^3,4. Et al. Parsa ⁵ förlängdes denna metod för att spåra stavar med hjälp av läget och orienteringen av stängerna ses av flera kameror. Här presenterar vi metoder för att tillverka partiklar av en mängd olika former och rekonstruera deras 3D orienteringar. Detta ger the möjlighet att utvidga 3D spårning av partiklar med komplexa former till ett brett utbud av nya tillämpningar.

Denna teknik har stor potential för ytterligare utveckling på grund av det breda spektrum av partikelformer som kan utformas. Många av dessa former har direkt tillämpning inom miljö flöden, där plankton, frön och iskristaller kommer i ett brett spektrum av former. Anslutningar mellan partikel rotationer och grundläggande småskaliga egenskaperna hos turbulenta flöden ⁶ tyder på att studera rotationer av dessa partiklar ger nya sätt att se på den turbulenta kaskadprocessen.

Protocol

1. Tillverkning av Partiklar Använd en 3D Computer Aided Drafting program för att skapa partikelmodeller. Exportera en fil per modell i ett filformat som kan behandlas av 3D-skrivare som används. Använd kommandot Circle för att rita en cirkel med en diameter på 0,3 mm. Använd Extrude funktion för att göra en cylinder med en längd av 3 mm. Gör ett kors med två vinkelräta cylindrar med ett gemensamt centrum; göra en domkraft med tre inbördes ortogonala cylindrar med ett gemensa…

Representative Results

Figur 3a visar en bild av en tetrad från en av våra kameror ovanför en plot av Euler vinklar erhålls från en del av sin bana (figur 3c). I figur 3b, resultaten av orientering undersöknings algoritm, som beskrivs i protokoll 5-5,3, överlagras på tetrad bilden. Armarna i tetrad i figur 3a inte följer de enkla intensitetsfördel som används för att skapa modellen (protokoll 5.1.3.1). Detta är sant för alla part…

Discussion

Mätningar av virvel och rotation av partiklar i turbulent strömning har länge ansetts som viktiga mål i experimentella strömningsmekanik. Den fasta kroppen rotation av små sfärer i turbulens är lika med halva vätskevirvelbildningen, men rotationssymmetri av sfärer har gjort direkt mätning av deras solid kropp rotation svårt. Traditionellt har vätskevirvel mätts med hjälp av komplexa, multi-sensor, sonder varmtråd ^14. Men dessa sensorer bara få single-point vorticity mätningar i luftflöden s…

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