Tre-dimensionel Particle Tracking Velocimetri for Turbulens Applications: Sagen om en Jet Flow

Summary

En tre-dimensionelle partikel sporing Velocimetri (3D-PTV) system baseret på en high-speed kamera med en fire-view splitter er beskrevet her. Teknikken anvendes på en jet flow fra et cirkulært rør i nærheden af ti diametre nedstrøms ved Reynolds tal Re ≈ 7.000.

Abstract

3D-PTV er en kvantitativ flowmåling teknik, der har til formål at spore Lagrange stier af et sæt af partikler i tre dimensioner ved hjælp af stereoskopisk registrering af billedsekvenser. Den grundlæggende komponenter, funktioner, begrænsninger og optimering tips af en 3D-PTV topologi bestående af en high-speed kamera med en fire-view splitter er beskrevet og diskuteret i denne artikel. Teknikken anvendes til den mellemliggende strømningsfelt (5 <x / d <25) af en cirkulær stråle på Re ≈ 7.000. Lagrange flow funktioner og turbulens mængder i en Eulerske ramme anslås omkring ti nedstrøms for det jet oprindelse og på forskellige radiale afstande fra jet kerne. Lagrange egenskaber indbefatter bane, hastighed og acceleration af udvalgte partikler samt krumning af strømningsvejen, der er opnået fra Frenet-Serret ligning. Estimation af 3D hastighed og turbulens markerne omkring jet core-aksen på tværs af planet placeret på tinedstrøms for strålen sammenlignes med litteratur, og magten spektrum af de store streamwise hastighed bevægelser opnås ved forskellige radiale afstande fra jet kerne.

Introduction

Turbulente jet strømme er allestedsnærværende i ingeniørmæssige anvendelser. Detaljeret karakterisering af sådanne strømme er afgørende i et bredt spektrum af praktiske problemer spænder fra store miljømæssige afløbssystemer til elektroniske mikro-skala-enheder. På grund af dens indvirkning på en række brede applikationer, har jet strømme blevet undersøgt i dybden ^{1 – 4.} Adskillige eksperimentelle teknikker, herunder hotwire anemometri ^{4 – 8} Laser Doppler Velocimetry (LDV) ^{4, 9 – 12,} og Particle Billede Velocimetri (PIV) ^{12 –} er ^16, blevet anvendt til at karakterisere jet strømmer i en bred vifte af Reynolds tal og grænsen betingelser. For nylig har et par undersøgelser blevet foretaget ved hjælp af 3D-PTV for at studere den turbulente / ikke-turbulent interface jet strømme ^{17, 18.} 3D-PTV er en teknik specielt egnet til at beskrive komplekse turbulent fifelter fra et andet perspektiv. Det giver mulighed for genopbygningen af ​​partikel baner inden et volumen i en Lagrange referenceramme ved hjælp af multi-view stereoscopy. Teknikken blev først introduceret af Chang ¹⁹ og videreudvikles af Racca og Dewey ^20. Siden da er der foretaget mange forbedringer på 3D-PTV algoritme og forsøgsopstilling ^{21 – 24.} Med disse resultater og tidligere værker, har systemet med succes blevet brugt til at studere forskellige flydende fænomener som storstilet flydende bevægelse i et domæne af 4 mx 2 mx 2 m ^25, indendørs luftstrøm felt ^26, pulserende strømme ²⁷ og aorta blodgennemstrømning ²⁸ .

Arbejdsgruppen Princippet om en 3D-PTV måling består af dataopsamlingssystem opsætning, optagelse / forbehandling, kalibrering, 3D korrespondancer, tidsmæssig sporing og efterbehandling. En nøjagtig kalibrering giver mulighed for en præcis registrering af partikel positions. Korrespondancen af ​​de påviste i mere end tre billedfiler udsigt partikler giver mulighed for genopbygningen af ​​en 3D-partikel holdning baseret på epipolar geometri. En sammenkædning fra hinanden følgende billedrammer resultere i en tidsmæssig sporing som definerer partikelbaner s (t). Optimering af 3D-PTV-systemet er vigtigt at maksimere sandsynligheden for multi-partikel sporbarhed.

Første trin i optimering er at erhverve en passende dataopsamlingssystem herunder high-speed kameraer, belysning kilde og funktioner i seeding partikler. Kameraopløsningen sammen med størrelsen af ​​søgevolumenet definerer pixelstørrelse og dermed den krævede seeding partikelstørrelse, som bør være større end en enkelt pixel. De centroider af opdagede partikler er estimeret med sub-pixel præcision ved at tage den gennemsnitlige placering af partikel pixels vægtet med lysstyrke ^21. Kameraets frame rate er tæt associated med Reynolds-tal og evnen til at linke detekterede partikler. En højere billedhastighed muliggør løsning hurtigere strømme eller et større antal partikler, da sporingen bliver vanskeligere, når den gennemsnitlige forskydning mellem billeder overstiger middelværdien adskillelse af partiklerne.

Lukkertid, blænde og følsomhed er tre faktorer at overveje i capture billedet. Lukkerhastighed burde være hurtig nok til at minimere sløring omkring en partikel, hvilket reducerer usikkerheden partikel tyngdepunkt position. Blænderåbningen bør justeres til dybden af ​​området for søgevolumenet at reducere sandsynligheden for at detektere partikler uden for lydstyrken. Da den maksimale følsomhed et kamera er fast, da de ramme stiger, den nødvendige lys kræves for at belyse partiklerne skulle stige tilsvarende. I modsætning til PIV, er komplekse optiske indstillinger og høj effekt lasere ikke strengt nødvendigt i 3D-PTV, så længe lyskilden er tilstrækkelig scatstreres fra sporstof partikler til kameraet. Kontinuerlig LED eller halogen lys er gode omkostningseffektive muligheder, der omgår behovet for synkronisering ^21.

I 3D-PTV, ligesom andre optiske flow måleteknikker, antages sporstof partikel hastighed at være den lokale øjeblikkelige væskehastighed ^29. Men dette er kun tilfældet for ideelle sporstoffer af null diameter og inerti; sporstof partikler skal være stort nok til at blive taget til fange af et kamera. Den troskab af en endelig partikel kan bestemmes ved Stokes nummer S _t, dvs forholdet mellem hviletiden omfanget af partikler og den tid omfanget af turbulente strukturer af interesse. Generelt bør S _t være væsentligt mindre end 1. For S _t ≤0.1 flow tracking error er under 1% ^30. Dybdegående kan findes diskussion Mei et al ^{29 -. 31} </sup>. Anbefalet partikelstørrelse for en 3D-PTV eksperiment varierer afhængigt af lyskilden og kameraet følsomhed. Med halogen eller LED-lys som belysning kilder, er relativt større partikler anvendt (fx 50-200 um) ^32, mens mindre partikler (f.eks 1-50 um) ^{33, 34} kan anvendes med en høj effekt laser (f.eks 80-100 watt CW-laser). Partikler med høj refleksionsevne for en given bølgelængde lys, som sølv belagt under halogen lys, kan forstærke deres præg i et billede. Podningen massefylde er en anden vigtig parameter for en vellykket 3D-PTV måling. Kun få partikler resulterer i lavt antal baner, mens et for stort antal partikler forårsager uklarheder i oprettelse korrespondancer og sporing. Uklarheder i oprettelse korrespondancer omfatter overlappende partikler og afsløre flere kandidater langs den definerede epipolar linje. I sporingsprocessen, tvetydigheden grund af en høj seedin g densitet er opstået på grund af den relativt korte gennemsnit separation af partikler.

Andet trin er optimale indstillinger i optagelse / pre-behandling for at forbedre billedkvaliteten. Fotografiske indstillinger, såsom forstærkning & sortniveau (G & B), spiller en vigtig rolle i at optimere billedkvaliteten. Sort niveau definerer lysstyrken på den mørkeste del af et billede, mens gevinst forstærker et billedes lysstyrke. Små variationer af de G & B niveauer kan få alvorlige konsekvenser sandsynligheden for sporbarhed. Faktisk kan høje G & B over-lysne et billede og til sidst beskadige kameraet sensor. For at illustrere dette, er virkningen af ​​G & B niveauer på genopbygning flowet også undersøgt i denne artikel. I den præ-behandlingstrin, bliver billederne filtreres med et højpasfilter at understrege lysspredning fra partikler. Pixelstørrelsen og grå skala justeres til at maksimere detektionen partikel inden søgevolumenet.

t "> Tredje trin af optimeringen er nøjagtig kalibrering af stereoskopisk billeddannelse, som er baseret på epipolar geometri, kameraparametre (brændvidde, princippet punkt, og forvrængning koefficienter), og brydningsindeksændringer. Denne proces er afgørende for at minimere 3D genopbygning fejl af de referencemærker målpunkter. Epipolar geometri bruger relative afstande (mellem kameraet og søgevolumenet) og vippes vinkel fra målbilledet. kan tages hensyn brydningsindeksændringer langs kameraet udsyn gennem søgevolumenet baseret på proceduren ifølge Mass et al. ^21. I dette forsøg er en 3D trappe-lignende struktur med regelmæssigt fordelte målpunkter anvendes som et mål.

I en 3D-PTV eksperiment, selvom der kun er behov to billeder at bestemme en 3D partikel position, typisk flere kameraer anvendes til at reducere tvetydigheder ^21. Et alternativ til dyre opsætninger med flere high-speed kameraer er view splitter, foreslået af Hoyer et al. ³⁵ for anvendelse af 3D-PTV og for nylig anvendt af Gulean et al. ²⁸ for de biomedicinske anvendelser. Udsigten splitter består af en pyramide-formet spejl (herom primær spejl) og fire justerbare spejle (herom sekundær spejl). I dette arbejde blev en fire-view splitter og et enkelt kamera anvendes til at efterligne den stereoskopiske afbildning fra fire kameraer. Systemet anvendes til at karakterisere den mellemliggende strøm inden for et rør jet med en diameter, D _H = 1 cm og Re ≈ 7.000 fra en Lagrangian og Eulersk rammer på omkring 14,5-18,5 diametre nedstrøms for strålen oprindelse.

Protocol

1. Lab Sikkerhed Gennemgå retningslinjer for sikkerhed for den valgte belysning kilde (f.eks laser, industri LED, halogen). Bemærk: i dette eksperiment, er et sæt af fem 250 Watt halogenspots bruges som belysning. Grundlæggende sikkerhed og anbefaling aspekter for denne lyskilde er beskrevet som følger. Undgå direkte kontakt med halogenlys, der opererer ved høje temperaturer (~ 3000 K farvetemperatur). Hold lyset ON kun, når de erhverver data for at undgå opvarmning…

Representative Results

Et fotografi og en skematisk afbildning af opsætningen er vist i figur 1 og 2. Kalibreringsmålet, målepunkterne afspejles på visningen-splitter og 3D kalibrering rekonstruktion er illustreret i figur 3. De RMS af de anerkendte kalibreringsmål er 7,3 um, 5,7 um og 141,7 um i streamwise x, spanwise y og dybde z-retningerne. Den relative højere RMS i z -coordinate skyldes de reducerede mål p…

Discussion

3D-PTV har et stort potentiale til at optrævle de komplekse fysik af en række turbulente strømninger såsom store turbulente bevægelser i den nedre atmosfære ^25, indendørs luftfordeling ^26, eller pulserende strømme i aorta topologi ²⁸ blandt mange andre. Men en forståelse af sine fordele og begrænsninger samt erfaring er vigtigt at maksimere sit potentiale. Trial and error indledende test, og udtømmende iterationer for optimale indstillinger, herunder frame rate, belysnin…

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).