Tredimensjonal Particle Tracking velocimetry for Turbulence Applications: Case av en Jet Flow

Summary

En tre-dimensjonal partikkel sporing velocimetry (3D-PTV) system basert på et høyhastighetskamera med en fire-visning splitter er beskrevet her. Teknikken blir tilført en strålestrøm fra et sirkulært rør i nærheten av ti diametere nedstrøms ved Reynolds-tall Re ≈ 7000.

Abstract

3D-PTV er en kvantitativ strømningsmåling teknikk som mål å følge de Lagrange stier i et sett av partikler i tre dimensjoner ved hjelp av stereoskopisk opptak av bildesekvenser. Den grunnleggende komponenter, funksjoner, begrensninger og optimalisering tips av en 3D-PTV topologi består av et høyhastighetskamera med en fire-visning splitter er beskrevet og diskutert i denne artikkelen. Teknikken er påført til den mellomliggende strømningsfeltet (5 <x / d <25) av en sirkulær stråle på Re ≈ 7000. Lagrange flytfunksjoner og turbulens mengder i en Eulersk ramme er estimert rundt ti diametre nedstrøms av jet opprinnelse og på ulike radielle avstander fra jet kjernen. Lagrangske egenskaper inkluderer bane, hastighet og akselerasjon av utvalgte partikler så vel som krumningen av den strømningsbane som er oppnådd fra den Frenet-Serret ligning. Estimering av 3D-hastighet og turbulens feltene rundt jet kjernen aksen på en cross-plan beliggende på tidiametere nedstrøms av strålen blir sammenlignet med litteraturen, og energispekteret for de store strømvis hastighets bevegelser oppnås ved forskjellige radielle avstander fra strålekjernen.

Introduction

Turbulente jet strømmer er allestedsnærværende i tekniske applikasjoner. Detaljert karakterisering av slike strømmer er avgjørende i et bredt spekter av praktiske problemer som strekker seg fra store miljølossesystemer til elektroniske mikro-skala-enheter. På grunn av dens innvirkning på en rekke fleksible anvendelser er strålestrømmer blitt undersøkt i dybden ^{til 1 – 4.} Flere eksperimentelle teknikker, inkludert hotwire anemometri ^{4 – 8,} Laser dopplervelosimetri (LDV) ^{4, 9. – 12.,} og partikkelbilde velocimetry (PIV) ^{av 12 – 16,} er blitt anvendt for å karakterisere strålestrømmer i et bredt spekter av Reynolds tall og begrensnings forhold. Nylig har noen studier er gjort ved hjelp av 3D-PTV å studere turbulent / ikke-turbulent grensesnittet til jet strømmer ^{17, 18.} 3D-PTV er en teknikk som særlig egner seg til å beskrive kompleks turbulent fifeltene fra et annet perspektiv. Det gjør at gjenoppbyggingen av partikkel baner innenfor et volum i en Lagrangesk referanseramme ved hjelp av multi-view stereos. Teknikken ble først introdusert av Chang ¹⁹ og videreutviklet av Racca og Dewey ^20. Siden da har mange forbedringer blitt gjort på 3D-PTV algoritme og eksperimentelle oppsettet ^21-24. Med disse prestasjonene og tidligere arbeider, har systemet blitt brukt til å studere ulike væske fenomener som storskala flytende bevegelse i et domene av 4 mx 2 mx 2 m ^25, innendørs luftstrøm felt ^26, strømmer pulserende ²⁷ og aorta blodstrøm ²⁸ .

Arbeids prinsippet om en 3D-PTV måling består av datainnsamling systemoppsett, opptak / pre-prosessering, kalibrering, 3D-korrespondanser, timelig sporing og etterbehandling. En nøyaktig kalibrering muliggjør en nøyaktig påvisning av partikkel stillings. Den korrespondanse av partiklene påvist i mer enn tre bildevisninger åpner for gjenoppbyggingen av en 3D-partikkel posisjon basert på epipolar geometri. En kobling av på hverandre følgende bilderammer resultere i en temporal sporings som definerer partikkelbanene s (t). Optimalisering av den 3D-PTV system er avgjørende for å maksimere sannsynligheten for multi-partikkel sporbarhet.

Første trinn av optimalisering er å skaffe en egnet datainnsamlingssystem inkludert høyhastighetskameraer, belysning kilde og funksjoner i seeding partikler. Kameraet oppløsning sammen med størrelsen av utspørrings volum definerer pikselstørrelse og derfor den nødvendige såing partikkelstørrelsen, som bør være større enn en enkelt piksel. De centroids oppdagede partikler er estimert med sub-pixel nøyaktighet ved å ta gjennomsnittlig plassering av partikkel piksler vektet med lysstyrke ^21. Kameraets bildefrekvens er nært associated med Reynolds tall og evnen til å koble detekterte partikler. En høyere bildefrekvens gjør det mulig å løse raskere strømmer eller et større antall partikler, siden sporings blir vanskeligere når den midlere forskyvning mellom bilder overstiger den midlere separering av partiklene.

Lukkertid, blenderåpning og følsomhet er tre faktorer å vurdere i bildeopptak. Lukkerhastighet skal være rask nok til å minimere uskarphet rundt en partikkel, som reduserer usikkerheten partikkel Tyngdepunktet posisjon. Kameraet åpning bør justeres til dybdeskarpheten av spørre volumet for å redusere sannsynligheten for å detektere partikler utenfor volumet. Siden maksimal følsomhet av et kamera er fast, som rammehastigheten øker, den nødvendige nødvendig for å lyse partiklene bør øke tilsvarende. I motsetning til PIV, er komplekse optiske innstillinger og kraftige lasere ikke er strengt nødvendig i 3D-PTV, så lenge lyskilden er tilstrekkelig scatgistrert fra sporstoffpartiklene til kameraet. Kontinuerlige LED eller halogen lys er gode kostnadseffektive alternativer som omgår behovet for synkronisering ^21.

I 3D-PTV som andre optisk strømningsmåleteknikker, er sporstoffpartikkelhastighet antas å være den lokale momentant fluidhastigheten ^29. Men dette er bare tilfelle for ideelle sporstoffer av null diameter og treghet; tracer partikler bør være stor nok til å bli fanget av et kamera. Kvaliteten til en endelig partikkel kan bestemmes med Stokes antall S _t, det vil si forholdet mellom den relaksasjonstiden omfanget av partikler og tidsskalaen for turbulente strukturer av interesse. Generelt bør S _t være betydelig mindre enn 1. For S _t ≤0.1 flyt følgefeil er under 1% ^30. Grundig diskusjon kan finnes i Mei et al ^{29 -. 31} </sup>. Anbefalt partikkelstørrelse for et 3D-PTV eksperiment varierer avhengig av lyskilde og kamera følsomhet. Med halogen eller LED-lys som belysningselementer, har forholdsvis større partikler som brukes (for eksempel 50-200 um) ^32, mens mindre partikler (for eksempel 1-50 um) ^33, kan ³⁴ brukes sammen med en høyenergi lasere (for eksempel 80-100 watt CW laser). Partikler med høy reflektivitet for en bølgelengde lys gitt, som sølv belagt i henhold halogen lys, kan forsterke sitt preg på et bilde. Seeding tetthet er en annen viktig parameter for en vellykket 3D-PTV måling. Få partikler resultere i lavt antall baner, mens en overdreven antall partikler forårsake uklarheter i å etablere korrespondanser og sporing. Uklarheter i å etablere korrespondanser inkluderer overlappende partikler og registrerer flere kandidater langs definert epipolar linje. I sporingsprosessen, tvetydigheten på grunn av en høy seedin g tetthet er oppstått på grunn av den relativt korte midlere separasjon av partikler.

Andre trinn er optimale innstillinger i opptak / pre-behandling for å forbedre bildekvaliteten. Fotografiske innstillinger, for eksempel gevinst og svartnivå (G & B), spiller en viktig rolle i å optimalisere bildekvaliteten. Svart nivå definerer lysstyrken på den mørkeste del av et bilde, mens gevinst forsterker lysstyrken i et bilde. Små variasjoner av G & B nivåer kan ha betydelig innvirkning på sannsynligheten for sporbarhet. Faktisk kan høy G & B over lysere et bilde og til slutt ødelegge kamerasensoren. For å illustrere dette, er virkningen av G & B nivåer på flyten oppbyggingen også undersøkt i denne artikkelen. I pre-behandlingstrinnet, blir bildene filtrert med et høypass-filter for å understreke lysspredning fra partikler. Den pikselstørrelse og grå skala er justert for å maksimalisere partikkeldeteksjon inne i undersøkelsesvolumet.

t "> Tredje trinn av optimaliseringen er korrekt kalibrering av stereoskopisk avbildning, som er basert på epipolar geometri, kameraparametere (brennvidde, prinsipp punkt, og forvrengnings koeffisienter), og brytningsindeksen endres. Denne fremgangsmåte er nødvendig for å minimalisere 3D rekonstruksjon feil av avlesnings målpunkter. Epipolar geometri anvender relative avstand (mellom kamera og avlesning volum) og skrå vinkel fra målbildet. brytningsindeks endrer seg langs kamerabildet gjennom spørre volum kan tas i betraktning basert på fremgangsmåten til Mass et al., ^21. I dette forsøk er en 3D trappelignende struktur med regelmessig fordelte målpunkter brukt som et mål.

I et 3D-PTV eksperiment, selv om bare to bilder er nødvendig for å bestemme en 3D-partikkel stilling, blir typisk flere kameraer benyttet for å redusere tvetydigheter ^21. Et alternativ til dyre oppsett med flere høyhastighetskameraer er view splitter, foreslått av Hoyer et al. ³⁵ for bruk av 3D-PTV og nylig anvendt av Gulean et al. ²⁸ for biomedisinske anvendelser. Utsikten splitter består av en pyramide-formet speil (heretter primære speilet) og fire justerbare speil (heretter sekundær speil). I dette arbeidet ble det en fire-visning splitter og et enkelt kamera som brukes til å etterligne den stereoskopiske avbildning fra fire kameraer. Systemet blir brukt til å karakterisere den mellomliggende strømningsfeltet fra et rør stråle med en diameter d _h = 1 cm og Re ≈ 7000 fra en Lagrange og Eulersk rammer på rundt 14,5 til 18,5 diametre nedstrøms fra stråle opprinnelse.

Protocol

1. Lab Safety Gjennomgå retningslinjene for sikkerhet for den valgte belysningskilden (f.eks laser, industriell LED, halogen). Merk: I dette eksperimentet, er et sett med fem 250 watt halogenspotlights brukes som belysning. Grunnleggende sikkerhets- og anbefaling aspekter for denne lyskilden er beskrevet som følger. Unngå direkte kontakt med halogen lys, som opererer ved høye temperaturer (~ 3000 K fargetemperatur). Hold lyset på når anskaffe data for å unngå oppvarm…

Representative Results

Et fotografi og en skjematisk av oppsettet er vist i figur 1 og 2. Kalibreringsmålet, de fiducial merkene reflektert på view-splitter og 3D kalibrering rekonstruksjon er illustrert i figur 3. RMS av de anerkjente kalibrerings målene er 7,3 mikrometer, 5,7 mikrometer og 141,7 mikrometer i strømvis x, spanwise y og dybde z-retningene. Den relative høyere RMS i z -coordinate skyldes reduserte …

Discussion

3D-PTV har stort potensial til å løse komplekse fysikk av en rekke turbulente strømmer som store turbulente bevegelser i den lavere atmosfæren ^25, inneklima distribusjon ^26, eller pulsatile strømmer i aorta topologi ²⁸ blant mange andre. Imidlertid, er en forståelse av dens fordeler og begrensninger samt erfaring viktig å maksimere dens potensial. Prøving og feiling foreløpige tester og uttømmende iterasjoner for optimale innstillinger, inkludert bildefrekvens, belysnings…

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).