Tredimensionell Partikel Tracking Velocimetry för turbulens Applications: Fallet med en Jet Flow

Summary

En tredimensionell spårning partikel Velocimetry (3D-PTV) som bygger på en höghastighetskamera med en fyra-view splitter beskrivs här. Tekniken appliceras på ett jetflöde från ett cirkulärt rör i närheten av tio diametrar nedströms vid Reynolds tal Re ≈ 7000.

Abstract

3D-PTV är en kvantitativ flödesmätning teknik som syftar till att spåra Lagrangian stigar en uppsättning av partiklar i tre dimensioner med hjälp av stereoskopisk inspelning av bildsekvenser. Den grundläggande komponenter, funktioner, begränsningar och optimeringstips för en 3D-PTV topologi bestående av en höghastighetskamera med en fyra-view splitter beskrivs och diskuteras i denna artikel. Tekniken appliceras på den mellanliggande flödesfältet (5 <x / d <25) av en cirkulär stråle vid Re ≈ 7000. Lagrangian flödesfunktioner och turbulens kvantiteter i en Euler ram beräknas omkring tio nedanför jet ursprung och på olika radiella avstånd från jet kärna. Lagrangian egenskaper innefattar bana, hastighet och acceleration av valda partiklar såväl som krökningen av flödesbanan, vilka erhålles från Frenet-Serret ekvation. Uppskattningen av 3D hastighet och turbulens fälten runt strålen kärnaxeln på ett tvärplan som ligger på tionedanför strålen jämförs med litteratur och effektspektrum av de storskaliga strömningshastighet rörelser erhålls vid olika radiella avstånd från jet kärna.

Introduction

Turbulenta jet flöden finns överallt i tekniska tillämpningar. Detaljerad beskrivning av sådana flöden är av avgörande betydelse i ett brett spektrum av praktiska problem som spänner från storskaliga system miljöurladdnings elektroniska mikroskala enheter. På grund av dess inverkan på ett antal breda applikationer, har jet flöden studerats ingående ^1-4. Flera experimentella tekniker inkluderande hotwire anemometri ^4-8, Laser Doppler Velocimetry (LDV) ^{4, 9-12,} och Particle Image Velocimetry (PIV) ^12-16, har använts för att karaktärisera jet flöden i ett brett spektrum av Reynolds-tal och begränsnings villkor. Nyligen har ett fåtal studier gjorts med hjälp av 3D-PTV att studera den turbulenta / icke-turbulent gränssnitt av jet strömmar ^{17, 18.} 3D-PTV är en teknik speciellt lämplig för att beskriva komplexa turbulenta fields från ett annat perspektiv. Det gör det möjligt att återuppbyggnaden av partikelbanor inom en volym i en Lagrangian referensram med hjälp av multi-view stereoskopi. Tekniken introducerades först av Chang ¹⁹ och vidareutvecklas av Racca och Dewey ^20. Sedan dess har många förbättringar gjorts på 3D-PTV algoritm och experimentuppställning ^21-24. Med dessa resultat och tidigare verk, har systemet med framgång använts för att studera olika fluid fenomen som storskalig flytande rörelser i en domän 4 mx 2 mx 2 m ^25, inomhus luftflöde fält ^26, strömmar pulserande ²⁷ och aorta blodflödet ²⁸ .

Principen bearbetning av en 3D-PTV mätning består av datainsamlingssystem set-up, inspelning / förbehandling, kalibrering, 3D-motsvarigheterna, tidsspårning och efterbearbetning. En noggrann kalibrering möjliggör en exakt detektering av partikel läges. Överensstämmelsen av partiklarna som upptäcktes i mer än tre bildvyer möjliggör återuppbyggnad av en 3D-partikel ställning baserat på epipolar geometri. Ett länksystem från konsekutiva bildramar resulterar i en temporal spårning som definierar partikel banor s (t). Optimering av 3D-PTV-systemet är viktigt för att maximera sannolikheten för flerpartikel spårbarhet.

Första steget i optimeringen är att skaffa en lämplig datainsamlingssystem, inklusive höghastighetskameror, belysningskälla och funktioner i sådd partiklar. Kameran upplösning tillsammans med storleken av frågevolymen definierar pixelstorleken, och därför den erforderliga sådd partikelstorlek, som bör vara större än en enda pixel. De centroids av detekterade partiklar beräknas med delpixel noggrannhet genom att den genomsnittliga positionen för partikel pixlar viktade av ljusstyrka ^21. Kamerans bildhastighet är nära associated med Reynolds tal och förmågan att länka detekterade partiklar. En högre bildhastighet möjliggör att lösa snabbare flöden eller ett större antal partiklar eftersom spårnings blir svårare när betyda förskjutningen mellan bilder överstiger medelvärdet separation av partiklarna.

Slutartid, bländare och känslighet finns tre faktorer att beakta vid bildtagning. Slutartid bör vara tillräckligt snabb för att minimera oskärpa runt en partikel, vilket minskar osäkerheten i partikel centroid positionen. Kamera öppning bör anpassas till skärpedjup av frågevolymen att minska sannolikheten för att detektera partiklar utanför volymen. Eftersom den maximala känsligheten hos en kamera är fast, eftersom bildfrekvensen ökar den nödvändiga ljus krävs för att lysa partiklarna bör öka i motsvarande grad. Till skillnad från PIV är komplexa optiska inställningar och hög effekt lasrar inte absolut nödvändigt i 3D-PTV, så länge som ljuskällan är tillräckligt scattrerade från spårämnespartiklar till kameran. Kontinuerliga LED eller halogenlampor är bra kostnadseffektiva alternativ som kringgår behovet av synkronisering ^21.

I 3D-PTV, liksom andra tekniker optisk flödesmätnings, är spårämnespartikelhastighet antas vara den lokala momentana fluidhastigheten ^29. Detta är dock endast fallet för ideal spårämnen av noll diameter och tröghet; spårpartiklar bör vara tillräckligt stor för att fångas upp av en kamera. Trohet en ändlig partikel kan bestämmas genom den Stokes nummer S _t, dvs förhållandet av relaxationstiden skala av partiklar och tidsskalan för turbulenta strukturer av intresse. I allmänhet bör S _t vara betydligt mindre än 1. För S _t ≤0.1 tracking flödes fel är under 1% ^30. Djupgående kan hittas diskussion i Mei et al ^{29 -. 31} </sup>. Rekommenderad partikelstorlek för en 3D-PTV experiment varierar beroende på ljuskällan och ljuskänslighet. Med halogen eller LED-lampor som belysningskällor, är relativt sett större partiklar används (t.ex. 50 till 200 | j, m) ^32, medan mindre partiklar (t ex 1-50 ^ m) ^{33, 34} kan användas med en högeffekts laser (t.ex. 80-100 Watt CW-laser). Partiklar med hög reflektivitet för en given våglängd, som silver belagd i halogenljus kan förstärka sitt varumärke i en bild. Sådd densitet är en annan viktig parameter för en framgångsrik 3D-PTV mätning. Några partiklar resulterar i lågt antal banor, medan ett alltför stort antal partiklar orsakar tvetydigheter i upprättandet överensstämmelser och spårning. Oklarheter i upprättandet motsvarigheter inkluderar överlappande partiklar och upptäcka flera kandidater längs den definierade epipolar linjen. I spårningsprocessen, tvetydigheten på grund av en hög seedin g Tätheten uppstått på grund av den relativt korta genomsnittliga separation av partiklar.

Andra steget är optimala inställningar i inspelning / förbearbetning för att förbättra bildkvaliteten. Fotografiska inställningar, t.ex. förstärkningen och svartnivå (G & B), spelar en viktig roll när det gäller att optimera bildkvaliteten. Svart nivå definierar ljusstyrka på den mörkaste delen av en bild, medan förstärkningen förstärker ljusstyrkan i en bild. Små variationer i G & B-nivå kan avsevärt påverka sannolikheten för spårbarhet. I själva verket kan höga G & B över ljusare bilden och så småningom skada kamerans sensor. För att illustrera detta, är effekterna av G & B-nivå på återuppbyggnaden flödet undersöks också i den här artikeln. I pre-bearbetningssteget, visas bilderna filtreras med ett högpassfilter för att betona ljusspridningen från partiklar. Pixelstorleken och gråskala justeras för att maximera partikeldetektering inom frågevolymen.

t "> Tredje steget med optimeringen är noggrann kalibrering av den stereoskopiska avbildning, som är baserad på epipolar geometri, kameraparametrar (brännvidd, principen punkt, och distortions koefficienter), och brytningsindexförändringar. är viktigt att minimera den 3D Denna process rekonstruktion fel av de referens målpunkter. Epipolar geometri använder relativa avstånd (mellan kamera och förhör volym) och lutande vinkel från målbilden. brytningsindex förändringar längs kamerabilden genom frågevolymen kan beaktas baserat på förfarandet av Mass et al. ^21. I detta experiment är en 3D trappliknande struktur med regelbundet fördelade målpunkter användas som ett mål.

I en 3D-PTV experiment, även om bara två bilder behövs för att bestämma en 3D-partikel ställning, vanligtvis fler kameror används för att minska tvetydigheter ^21. Ett alternativ till dyra inställningar med flera höghastighetskameror är VIew splitter, som föreslagits av Hoyer et al. ³⁵ för användning av 3D-PTV och nyligen tillämpas av Gulean et al. ²⁸ för biomedicinska tillämpningar. Vyn splitter består av en pyramidformad spegel (härefter primärspegel) och fyra justerbara speglar (Hereon sekundär spegel). I detta arbete var ett fyra-view splitter och en enda kamera som används för att efterlikna den stereoskopiska avbildning från fyra kameror. Systemet används för att karakterisera den mellanliggande flödesfält av ett rör stråle med en diameter, d _h = 1 cm och Re ≈ 7000 från en Lagrange och Eulerian ramar på omkring 14,5-18,5 diametrar nedströms från strålen ursprung.

Protocol

1. Lab Säkerhet Läs riktlinjerna för den valda belysningskällan säkerhet (t.ex. laser, industriell LED, halogen). Notera: i detta experiment, är en uppsättning av fem 250 watt halogenspotlights som belysning. Grundläggande säkerhets- och rekommendation aspekterna för denna ljuskälla beskrivs på följande sätt. Undvik direkt kontakt med halogenlampor, som arbetar vid höga temperaturer (~ 3000 K färgtemperatur). Håll ljuset bara när insamling av data för att …

Representative Results

Ett fotografi och ett schema av konfigurationen visas i Figurerna 1 och 2. Kalibreringsmålet, de referenspunkter som återspeglas på visnings splitter och 3D kalibrerings rekonstruktion visas i figur 3. RMS av de erkända kalibrerings mål är 7,3 um, 5,7 um och 141,7 um i strömnings x, spann y, och djupet z riktningar. Den relativa högre RMS i z -koordinaten beror på de minskade mål punkt…

Discussion

3D-PTV har stora möjligheter att riva upp komplexa fysik av en mängd olika turbulenta flöden såsom storskaliga turbulenta rörelser i den lägre atmosfären ^25, inomhusluft fördelnings ^26, eller pulserande flöden i aorta topologi ²⁸ bland många andra. Det är dock viktigt att förstå dess fördelar och begränsningar samt erfarenhet för att maximera sin potential. Trial and error preliminära tester och uttömmande iterationer för optimala inställningar, inklusive bildha…

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).