ثلاثي الأبعاد السرعة بواسطة الجسيمات تتبع للتطبيقات الاضطراب: حالة من تدفق جت
Summary
ووصف ثلاثي الأبعاد تتبع الجسيمات السرعة بواسطة (3D-PTV) نظام يقوم على كاميرا عالية السرعة مع الخائن أربعة الرأي هنا. يتم تطبيق هذه التقنية لتدفق طائرة من أنبوب دائري في محيط عشرة أقطار المصب في عدد رينولدز إعادة ≈ 7000.
Abstract
3D-PTV هو الكمية التقنية لقياس التدفق والتي تهدف لتتبع مسارات لاغرانج من مجموعة من الجسيمات في الأبعاد الثلاثة باستخدام تسجيل مجسمة من تسلسل الصور. موصوفة الأساسية مكونات وخصائص والقيود ونصائح التحسين من طوبولوجيا 3D-PTV تتكون من كاميرا عالية السرعة مع الخائن أربعة الرأي ومناقشتها في هذه المقالة. يتم تطبيق هذه التقنية إلى الميدان وسيط تدفق (5 <س / د <25) من طائرة دائرية في إعادة ≈ 7000. وتقدر ميزات تدفق لاغرانج وكميات الاضطراب في إطار عالم رياضيات الماني نحو عشرة أقطار المصب من أصل طائرة وعلى مسافات مختلفة شعاعي من صميم طائرة. وتشمل خصائص لاغرانج مسار والسرعة وتسريع الجسيمات مختارة، فضلا عن انحناء مسار التدفق، والتي يتم الحصول عليها من المعادلة Frenet-Serret. تقدير مجالات السرعة والاضطراب 3D حول محور الأساسية طائرة في الطائرة عبر يقع في عشرةبأقطار المصب من الطائرة تتم مقارنة مع الأدب، ويتم الحصول على الطيف سلطة واسعة النطاق الاقتراحات streamwise سرعة على مسافات مختلفة شعاعي من صميم طائرة.
Introduction
التدفقات طائرة مضطربة موجودة في كل مكان في التطبيقات الهندسية. وصف مفصل لهذه التدفقات أمر بالغ الأهمية في طائفة واسعة من المشاكل العملية التي تمتد من أنظمة تصريف البيئي على نطاق واسع لأجهزة الصغيرة الحجم الإلكترونية. لما له من تأثير على عدد من تطبيقات واسعة، وقد تم دراسة التدفقات طائرة في عمق 1-4. العديد من التقنيات التجريبية، بما في ذلك anemometry شبان 4-8، ليزر دوبلر السرعة بواسطة (LDV) 4، 9 – وقد استخدمت 16، لوصف تدفق طائرة في مجموعة واسعة من أرقام رينولدز والحدود – 12، والجسيمات صورة السرعة بواسطة (التعريف الشخصية) 12 الظروف. في الآونة الأخيرة، بذلت عدد قليل من الدراسات باستخدام 3D-PTV لدراسة / واجهة مضطربة غير مضطربة من تدفقات طائرة 17 و 18. 3D-PTV هي تقنية مناسبة خاصة لوصف فاي المضطرب معقدةelds من منظور مختلف. وهو يتيح للإعمار مسارات الجسيمات داخل وحدة تخزين في إطار لاغرانج المرجعية باستخدام متعددة بغية الاستريوسكوبية. وقد أدخلت هذه التقنية لأول مرة من قبل تشانغ 19 والتي طورها RACCA وديوي 20. منذ ذلك الحين، تم إجراء العديد من التحسينات على خوارزمية 3D-PTV والإعداد التجريبية 21-24. مع هذه الإنجازات والأعمال السابقة، وقد استخدم النظام بنجاح لدراسة مختلف الظواهر السوائل مثل حركة السوائل على نطاق واسع في مجال من 4 م × 2 م × 2 م 25، في الأماكن المغلقة مجال تدفق الهواء 26، يتدفق نابض 27 و الدم الأبهري تدفق 28 .
مبدأ عمل قياس 3D-PTV يتكون من نظام الحصول على البيانات انشاء وتسجيل / التجهيز المسبق والمعايرة والمراسلات 3D، وتتبع الزمني ومرحلة ما بعد المعالجة. معايرة دقيقة يسمح لكشف دقيق للموقف الجسيماتالصورة. المراسلات من الجزيئات المكتشفة في أكثر من ثلاث وجهات نظر الصورة تسمح لإعادة بناء موقف الجسيمات 3D على أساس الهندسة epipolar. والربط من إطارات الصور متتالية يؤدي إلى تتبع الزمني الذي يحدد مسارات الجسيمات ق (ر). تعظيم الاستفادة من نظام 3D-PTV ضروري لتحقيق أقصى قدر من احتمال التتبع متعددة الجسيمات.
الخطوة الأولى من الأمثل هو في الحصول على نظام الحصول على البيانات المناسبة بما في ذلك كاميرات عالية السرعة، مصدر الإضاءة وخصائص الجسيمات البذر. القرار الكاميرا مع حجم وحدة التخزين الاستجواب يحدد حجم البكسل، وبالتالي فإن المطلوب منبذرة حجم الجسيمات، التي ينبغي أن تكون أكبر من بكسل واحد. وتقدر centroids الجسيمات رصدها بدقة بكسل الفرعي عن طريق أخذ متوسط موضع بكسل الجسيمات مرجحة سطوع 21. معدل الإطار الكاميرا وASSOCIAT عن كثبإد مع عدد رينولدز والقدرة على الربط بين الجزيئات المكتشفة. ويسمح معدل الإطار العالي لتسوية التدفقات أسرع أو عدد أكبر من جزيئات منذ تتبع يصبح أكثر صعوبة عندما يتجاوز يعني تشريد بين الصور فصل نفسه من الجزيئات.
سرعة مصراع الكاميرا، والفتحة والحساسية هي ثلاثة عوامل للنظر في التقاط الصور. يجب أن تكون سرعة مصراع بسرعة كافية للحد من عدم وضوح حول الجسيمات، مما يقلل من حالة عدم اليقين من موقف الجسيمات النقطه الوسطى. ينبغي تعديل فتحة الكاميرا إلى عمق الميدان من حجم الاستجواب للحد من احتمال الكشف عن جزيئات خارج وحدة التخزين. منذ يتم إصلاح الحساسية القصوى من الكاميرا، كما يزيد معدل الإطار، وعلى ضوء اللازمة لإلقاء الضوء على جزيئات يجب زيادة وفقا لذلك. على عكس التعريف الشخصية، لا تتطلب إعدادات البصرية المعقدة والليزر عالية الطاقة بدقة في 3D-PTV، طالما كان مصدر الضوء بما فيه الكفاية الموسيقيمحله من الجسيمات التتبع إلى الكاميرا. مستمرة LED أو مصابيح الهالوجين هي خيارات جيدة فعالة من حيث التكلفة التي تتجاوز الحاجة التزامن 21.
في 3D-PTV، مثل غيرها من التقنيات لقياس التدفق الضوئي، يفترض سرعة التتبع الجسيمات ليكون المحلية لحظية سرعة السائل 29. ومع ذلك، هذه ليست سوى حالة لاستشفاف مثالية من قطر لاغية والجمود. وينبغي أن تكون الجسيمات التتبع كبيرة بما يكفي ليتم القبض بواسطة كاميرا. الاخلاص من الجسيمات المتناهية يمكن تحديدها من قبل ستوكس عدد S ر، أي نسبة من حجم الوقت الاسترخاء من الجسيمات والنطاق الزمني لهياكل المضطربة من الفائدة. بشكل عام، يجب S ر يكون أصغر بكثير من 1. لS ر ≤0.1 أخطاء تتبع تدفق هي أقل من 1٪ 30. في العمق يمكن العثور على مناقشة في مي وآخرون 29 – 31 </sup>. وأوصى حجم الجسيمات لتجربة 3D-PTV يختلف تبعا لمصدر الضوء وحساسية الكاميرا. مع الهالوجين أو مصابيح LED كمصدر إضاءة، وتستخدم الجزيئات الكبيرة نسبيا (على سبيل المثال 50-200 ميكرون) 32، في حين أن جسيمات أصغر (على سبيل المثال 1-50 ميكرون) 33، 34 يمكن استخدامها مع ليزر عالية الطاقة (على سبيل المثال 80-100 واط ليزر CW). الجسيمات مع انعكاسية عالية للضوء طول موجي معين، مثل الفضة المطلية تحت ضوء الهالوجين، يمكن أن تزيد بصماتها إلى صورة. كثافة البذر هي المعلمة هامة أخرى لقياس 3D-PTV ناجحة. قليل من جزيئات تؤدي إلى انخفاض عدد مسارات، في حين أن عدد كبير من الجزيئات تسبب الغموض في إنشاء المراسلات وتتبع. وتشمل النقاط الغامضة في إنشاء المراسلات الجسيمات المتداخلة وكشف المرشحين متعددة على طول الخط epipolar محددة. في عملية تتبع، والغموض بسبب seedin عالية ووقع ز كثافة بسبب قصيرة نسبيا فصل نفسه من الجزيئات.
الخطوة الثانية هي الإعدادات المثلى في تسجيل / التجهيز المسبق لتعزيز جودة الصورة. إعدادات التصوير، مثل زيادة ومستوى الأسود (G & B)، وتلعب دورا هاما في تحسين جودة الصورة. يحدد مستوى السواد مستوى السطوع في أحلك جزء من الصورة، في حين كسب تضخيم سطوع الصورة. اختلافات طفيفة في مستويات G & B يمكن أن تؤثر بدرجة كبيرة على احتمال التتبع. في الواقع، وارتفاع G & B قد الإفراط في سطع صورة وتضر في نهاية المطاف من مستشعر الكاميرا. لتوضيح ذلك، يتم فحص تأثير G & B المستويات على إعادة تدفق أيضا في هذه المقالة. في الخطوة ما قبل المعالجة، يتم تصفيتها الصور مع فلتر تمريرة عالية للتأكيد على الضوء المبعثر من جزيئات. يتم ضبط حجم بكسل ومقياس الرمادية لتحقيق أقصى قدر من كشف الجسيمات داخل حجم الاستجواب.
ر "> الخطوة الثالثة من الأمثل هو معايرة دقيقة من التصوير ثلاثي الأبعاد، والتي تقوم على الهندسة epipolar، المعلمات الكاميرا (البعد البؤري، وأشر حيث المبدأ، ومعاملات تشويه)، والتغيرات معامل الانكسار. وهذه العملية ضرورية لتقليل 3D الخطأ إعادة بناء نقطة الهدف الإيمانية. هندسة Epipolar يستخدم المسافات النسبية (بين الكاميرا وحجم الاستجواب) وزاوية مائلة من صورة الهدف. التغييرات مؤشر الانكسار على طول عرض الكاميرا من خلال حجم الاستجواب يمكن أن تؤخذ بعين الاعتبار على أساس إجراء القداس وآخرون. 21. في هذه التجربة، ويستخدم بنية تشبه درج 3D مع نقطة الهدف موزعة بانتظام هدفا.في تجربة 3D-PTV، على الرغم من أن هناك حاجة إلى اثنين فقط من الصور لتحديد موقف الجسيمات 3D، وتستخدم عادة أكثر الكاميرات للحد من الغموض 21. بديلا للالاجهزة غالية الثمن مع العديد من كاميرات عالية السرعة هو السادسالخائن مصريات، التي اقترحها هوير وآخرون. (35) لاستخدام 3D-PTV وتطبيقها مؤخرا Gulean وآخرون. (28) لالتطبيقات الطبية الحيوية. يتكون الخائن ضوء مرآة على شكل هرم (المرآة الأولية الآن فصاعدا) وأربعة المرايا قابل للتعديل (الآن فصاعدا مرآة الثانوية). في هذا العمل، واستخدمت الخائن أربعة عرض وكاميرا واحدة لتقليد التصوير مجسمة من أربع كاميرات. ويستخدم نظام لتوصيف مجال تدفق وسيط لطائرة الأنابيب التي يبلغ قطرها، د ح = 1 سم وإعادة ≈ 7000 من لاغرانج وإطارات عالم رياضيات ألماني في جميع أنحاء 14،5-18،5 أقطار المصب من أصل طائرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D-PTV لديها امكانات كبيرة لكشف الفيزياء معقدة من مجموعة متنوعة من التدفقات المضطربة مثل حركات مضطربة على نطاق واسع في الغلاف الجوي السفلي 25، توزيع الهواء في الأماكن المغلقة 26، أو التدفقات نابض في طوبولوجيا الأبهر 28 ضمن أشياء أخرى كثيرة. ومع ذلك، ف…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل وزارة العلوم الهندسة الميكانيكية و، جامعة إلينوي في أوربانا شامبين، كجزء من حزمة البدء ليوناردو P. تشامورو.
Materials
| ImageOps | CAMMC4082 | High-speed camera |
| ImageOps | FBD-4XCXP6 | Frame Grabber |
| Potters Industries LLC | AG-SL150-30-TRD | Seeding Paritcles |
| Upstate Technical Equipment CO.,INC | MISNOR-STP-6-S-CL | Camera appliation |
| Photrack AG | Customized part and necessary if performing 3D-PTV with one camera | |
| General Electrics | 23719 | Light source |
| OpenPTV(http://www.openptv.net) | Open source particle tracking software (Note: available as a service for anyone who wants to use it without all the installation mess or computer power availability problems). |
References
- Wygnanski, I., & Fiedler, H. Some measurements in the self preserving jet. Cambridge university press.(1968).
- Rajaratnam, N. Turbulent jets. Elsevier. (1976).
- Panchapakesan, N., & Lumley, J. Turbulence measurements in axisymmetric jets of air and helium. Part 1. Air jet. J Fluid Mech. 246, 197-223 (1993).
- Hussein, H. J., Capp, S. P., & George, W. K. Velocity measurements in a high-Reynolds-number, momentum-conserving, axisymmetric, turbulent jet. J Fluid Mech. 258, 31-75, (1994).
- Yule, A. Large-scale structure in the mixing layer of a round jet. J Fluid Mech. 89, 413-432 (1978).
- Yule, A., Chigier, N., Ralph, S., Boulderstone, R., & Venturag, J. Combustion-transition interaction in a jet flame. AIAA Journal. 19, 752-760 (1981).
- Quinn, W. Upstream nozzle shaping effects on near field flow in round turbulent free jets. Eur J Mech B-Fluid. 25, 279-301 (2006).
- Mi, J., Nathan, G. J., & Luxton, R. E. Centreline mixing characteristics of jets from nine differently shaped nozzles. Exp Fluids. 28, 93-94 (2000).
- Karlsson, R. I., Eriksson, J., & Persson, J. LDV measurements in a plane wall jet in a large enclosure. DTIC Document. (1992).
- Liepmann, D., & Gharib, M. The role of streamwise vorticity in the near-field entrainment of round jets. J Fluid Mech. 245, 643-668, (1992).
- Oh, S. K., & Shin, H. D. A visualization study on the effect of forcing amplitude on tone-excited isothermal jets and jet diffusion flames. Int J Energ Res. 22, 343-354 (1998).
- Cenedese, A., Doglia, G., Romano, G., De Michele, G., & Tanzini, G. LDA and PIV velocity measurements in free jets. Exp Therm Fluid Sci. 9, 125-134 (1994).
- Wang, H., Peng, X., Lin, W., Pan, C., & Wang, B. Bubble-top jet flow on microwires. Int J Heat Mass Tran. 47, 2891-2900 (2004).
- Shestakov, M. V., Tokarev, M. P., & Markovich, D. M. 3D Flow Dynamics in a Turbulent Slot Jet: Time-resolved Tomographic PIV Measurements. 17th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. (2014).
- Bridges, J., & Wernet, M. P. Measurements of the aeroacoustic sound source in hot jets. AIAA paper. 3130 (2003).
- Scarano, F., Bryon, K., & Violato, D. Time-resolved analysis of circular and chevron jets transition by tomo-PIV. 15th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. (2010).
- Holzner, M., Liberzon, A., Nikitin, N., Kinzelbach, W., & Tsinober, A. Small-scale aspects of flows in proximity of the turbulent/nonturbulent interface. Phys Fluids. 19, 071702 (2007).
- Holzner, M. et al. A Lagrangian investigation of the small-scale features of turbulent entrainment through particle tracking and direct numerical simulation. J Fluid Mech. 598, 465-475 (2008).
- Chang, T. P., Wilcox, N. A., & Tatterson, G. B. Application of image processing to the analysis of three-dimensional flow fields. Opt Eng. 23, 283-287 (1984).
- Racca, R., & Dewey, J. A method for automatic particle tracking in a three-dimensional flow field. Exp Fluids. 6, 25-32 (1988).
- Maas, H. G., Gruen, D., & Papantoniou, D. Particle tracking velocimetry in three-dimensional flows. Exp Fluids. 15, 133-146 (1993).
- Kasagi, N., & Matsunaga, A. Three-dimensional particle tracking velocimetry measurement of turbulence statistics and energy budget in a backward-facing step flow. Int J Heat Fluid Fl. 16, 477-485 (1995).
- Virant, M., & Dracos, T. 3D PTV and its application on Lagrangian motion. Meas Sci Technol. 8, 1539 (1997).
- Willneff, J. A spatio-temporal matching algorithm for 3 D particle tracking velocimetry. Mitteilungen- Institut fur Geodasie und Photogrammetrie an der Eidgenossischen Technischen Hochschule Zurich. (2003).
- Rosi, G. A., Sherry, M., Kinzel, M., & Rival, D. E. Characterizing the lower log region of the atmospheric surface layer via large-scale particle tracking velocimetry. Exp Fluid. 55, 1-10 (2014).
- Fu, S., Biwole, P. H., & Mathis, C. Particle Tracking Velocimetry for indoor airflow field: A review. Build Environ. 87, 34-44 (2015).
- Kolaas, J., Jensen, A., & Mielnik, M. Visualization and measurements of flows in micro silicon Y-channels. Eur Phys J E. 36, 1-11 (2013).
- Gülan, U. et al. Experimental study of aortic flow in the ascending aortavia Particle Tracking Velocimetry. Exp Fluids. 53, 1469-1485 (2012).
- Mei, R. Velocity fidelity of flow tracer particles. Exp Fluids. 22, 1-13 BF01893300, (1996).
- Tropea, C., Yarin, A. L., & Foss, J. F. Springer handbook of experimental fluid mechanics. Vol. 1. Springer Science & Business Media. (2007).
- Melling, A. Tracer particles and seeding for particle image velocimetry. Meas Sci Technol. 8, 1406 (1997).
- Hering, F., Leue, C., Wierzimok, D., & Jähne, B. Particle tracking velocimetry beneath water waves. Part I: visualization and tracking algorithms. Exp Fluids. 23, 472-482 (1997).
- Biferale, L. et al. Lagrangian structure functions in turbulence: A quantitative comparison between experiment and direct numerical simulation. Phys Fluids. 20, 065103 (2008).
- Lüthi, B., Tsinober, A., & Kinzelbach, W. Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow. J Fluid mech. 528, 87-118 (2005).
- Hoyer, K. et al. 3d scanning particle tracking velocimetry. Exp Fluids. 39, 923-934 (2005).
- Kim, J.-T. Three-dimensional particle tracking velocimetry for turbulence applications, Master of Science thesis, UIUC. http://chamorro.mechse.illinois.edu/3d.htm, (2015).
- Lüthi, B. Some aspects of strain, vorticity and material element dynamics as measured with 3D particle tracking velocimetry in a turbulent flow, PhD Diss., ETH Zürich. Nr. 14893, 2003, (2002).
- Pope, S. B. Turbulent flows. Cambridge university press. 3, (2000).
