Samtidig måling av turbulens og partikkel kinematikk med flyt Imaging teknikker

Summary

Teknikken beskrevet her tilbyr en rimelig og relativt enkel metode for å måle samtidig partikkel kinematikk og turbulens i renn med lav partikkel konsentrasjoner. Turbulens måles med partikkel bilde velocimetry (PIV) og partikkel kinematikk beregnes fra profilen oppnådd med et høyhastighets kamera i en overlappende felt-of-view.

Abstract

Mange problemer i vitenskapelige og tekniske felt involverer forstå kinematikken partikler i turbulente, for eksempel forurensninger, marine mikroorganismer eller sedimenter i havet, eller fluidized seng reaktorer og forbrenning prosesser i utviklet systemer. For å studere effekten av turbulens på kinematikken partikler i slike renn, er samtidig målinger av både flyt og partikkel kinematikk nødvendig. Ikke-påtrengende, optisk flyt måling teknikker for måling turbulens eller sporing partikler finnes, men kan være utfordrende på grunn av interferens mellom teknikker å måle begge samtidig. Metoden som presenteres her gir en rimelig og relativt enkel metode for å foreta samtidige målinger av flyt og partikkel kinematikken. Et tverrsnitt av flyten måles ved hjelp av en partikkel velocimetry (PIV) teknikk, som gir to komponenter av hastighet i måling flyet. Denne teknikken utnytter en pulsed laser for belysning av feltet seeded flyt som er avbildet av en digital kameraet. Partikkel kinematikken er samtidig fotografert med en lys emitting diode (LED) line-lampen som lyser opp et planar tverrsnitt av flyten som overlapper med PIV felt-av-syn (FOV). Line-lampen er av lavt nok makt at den ikke påvirker PIV målinger, men kraftige nok til å belyse de større partiklene rundt fotografert bruker høyhastighets kameraet. Høyhastighets bilder på laser pulser fra PIV teknikken er enkelt filtreres ved å undersøke summerte intensitetsnivået for hvert høyhastighets bilde. Ved å gjøre bildefrekvensen for høyhastighets kameraet incommensurate at PIV kameraet Rammehastigheten, kan antallet forurensede rammer i høyhastighets tidsserien minimeres. Teknikken er egnet for mener strømmer som er overveiende todimensjonale, inneholder partikler som er minst 5 ganger betyr diameteren på PIV seeding tracers og er lav i konsentrasjon.

Introduction

Det finnes et stort antall programmer i både vitenskapelige og tekniske felt som involverer oppførselen til partikler i turbulente, for eksempel, aerosoler i atmosfæren, forurensning og/eller sedimenter i utviklet systemer og marine mikroorganismer eller sedimenter i havet^1,2,3. I slike programmer er det ofte rundt å forstå hvordan partikler reagerer turbulens, som krever samtidig måling av partikkel kinematikken og fluid dynamikk.

Eksisterende teknologier å måle partikkel bevegelser, kalt partikkel sporing (PT), som sporer personlige partikkel baner og statistiske teknikken av partikkel bilde velocimetry^4,5 (PIV), brukes til å måle flyt fart innlemme både ikke-påtrengende optisk teknikker. Den største utfordringen i å bruke disse ikke-påtrengende optisk teknikker for å måle både flyt og partikkel kinematikk samtidig er separate belysning kreves for hver tenkelig teknikk som ikke forstyrre andre måling nøyaktighet ( f.eks belysning kilde for å måle partikkel kinematikken kan fungere som en betydelig støy i væske hastighet måling og omvendt). Bildekontrasten i begge settene med bilder må være tilstrekkelig for å oppnå pålitelige resultater. For eksempel konverteres PT bilder til svart-hvitt-bilder for å utføre en blob analyser for å avgjøre partikkel posisjoner; dermed fører tilstrekkelig kontrast til feil i partikkel plassering. Dårlig kontrast i PIV bilder utgjør en lav signal-til-støy-forhold som vil føre til feil i beregning av flytende hastigheter.

Her, er en relativt lave kostnader og enkel metode for å måle samtidig både partikkel kinematikk og strømning hastigheter beskrevet. Gjennom bruk av en høyeffekts monokromatisk lys emitting diode (LED) linje lys, der linjen refererer til lys blenderåpning og dual-head høyintensiv laser, er begge partikler av interesse og feltet flyt avbildet i samme område samtidig. LED høy makt er tilstrekkelig for avbilding av (spores) partikler av høyhastighets kameraet, men påvirker ikke PIV bilder fordi lysintensiteten spredt PIV tracers er for lavt. Når dual-head høyintensiv laser lyser feltet flyt for PIV bilder, det skjer over et kort tidsintervall og disse bildene lett identifiseres og fjernes fra tidsserien innhentet av høyhastighets PT kameraet når de er registrert. PIV laser pulser i høyhastighets bilde (brukes for partikkel sporing) tiden serien kan minimeres ved å ikke kjøre de to systemene på oppkjøp bildefrekvens som er i samsvar med hverandre. I mer avanserte oppsett, kan en eksternt utløse PT og PIV kameraer med en forsinkelse som sikrer dette ikke skjer. Endelig etter grundig overveielse av partikler spores i PIV synsfelt (FOV) er feil introdusert av disse sporede partikler i sammenheng analyse av PIV bilder allerede tatt i betraktning av generelle feil estimering, inkludert feil forbundet med ikke-uniform størrelsesDistribusjon av PIV tracers i vinduet avhør. De aller fleste PIV seeding tracers følger strømmen, gir nøyaktig flyten hastighet estimater. Disse teknikkene gjør samtidige direkte måling av både partikkel kinematikk og flyt feltet i en todimensjonal flyet.

Denne teknikken er demonstrert ved å bruke den for å avgjøre partikkel settling egenskaper i en turbulente flyt, som brukes i studier og sjenert⁶ og Jacobs et al. ⁷. partikkel settling er siste etappe i sedimenter transport, som består av sediment suspensjon, transport- og settling. I de fleste tidligere studier som har adressert partikkel bosatte seg i turbulente, enten partikkel baner eller turbulente hastigheter er ikke direkte målt men utledet teoretisk eller modellert^8,9,10. Opplysninger om samspillet mellom partikler og turbulens oftest er gransket bruker teoretisk og numeriske modeller på grunn av eksperimentelle begrensninger måle begge samtidig^6,11. Vi presenterer en partikkel-turbulens samhandling studie i en oscillerende rutenettet anlegget, hvor vi studere bosetting hastigheten av partikler og deres kobling med turbulens. For klarhets vil heretter vi henvise til partikler under etterforskning som “partikler” og seeding partikler brukes for PIV teknikken som “Sporingsstoffer”; i tillegg vil vi henvise til kameraet brukes for høyhastighets avbilding av partikkel baner som “partikkel oppsporer”, “PT” eller “rask” kamera, som måler “høyhastighets bilder” og kameraet brukes for metoden PIV “PIV kameraet”, som måler “bilder”. Metoden beskrevet her kan samtidig måling av partikler kinematikk og fluid dynamikk over et forhåndsdefinert felt av interesse i anlegget. Innhentet data gir en todimensjonal beskrivelse av partikkel-turbulens interaksjon.

Protocol

Merk: Alle bør trenes i sikker bruk og drift av klasse IV lasere samt som trygg bruk og drift av hånd og makt verktøy. 1. eksperimentelle Set-up PIV-oppsett Sette opp dual-head laser og optikk. Plass laser på en optisk plate. Nivå laser forhold til bunnen av anlegget (eller med hensyn til bakken Hvis det er ønskelig å ha vertikal fart på linje med gravitasjonsakselerasjonen) og Uster laserstrålen med midten av 2D flyet til å avbildes. …

Representative Results

En skjematisk av eksperimentelle oppsett er vist i figur 1. Figuren viser ordningen med lys ark (LED og laser), blir overlappingen i FOVs og plasseringen av FOVs i forhold til oscillerende rutenettet og akvariet vegger. Den turbulens og partikler måles samtidig som beskrevet i delen protokollen. Figur 2 viser eksempel resultatene av målinger av øyeblikkelig hastighet og vorticity sammen med eksempel partikkel baner. Resultaten…

Discussion

Metoden beskrevet heri er relativt billig og gir en enkel måte å måle samtidig partikkel baner og turbulens undersøke påvirker flyten partikkel kinematikk. Det er bemerkelsesverdig å nevne at flyter eller partikkel bevegelser som er sterkt tredimensjonale ikke er egnet for denne teknikken. Ut-av-plane bevegelse vil resultere i feil¹⁷ i både 2D sporing og PIV analyse og bør minimaliseres. I tillegg krever metoden konsentrasjonen av sporede partikler relativt lav (på titalls partikler per P…

Materials

Optical lenses	CVI LASER OPTICS	Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV	Other optics companies are acceptable. Spherical and cyclindrical lenses for generating PIV light sheet.
Camera lens for PIV	Nikon	Nikkor 105mm f/2D	Other camera lens companies are acceptable. Camera lens for PIV imaging.
Camera lens for high-speed	Nikon	Nikkor 50mm f/1.8D	Other camera lens companies are acceptable. Camera lens for high-speed imaging.
Dual-head pulsed laser	Quantel	EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz	Other laser companies are acceptable. Dual-head Pulsed-laser for PIV: Nd:YAG
LED line light	Gardasoft Vision, Ltd.	VLX2 LED Line Lighting – Green – GAR-VLX2-250-LWD-G-T04	Other companies are acceptable. Line light for LED.
PIV seeding particles/tracers	Potters Industries	SPHERICAL Hollow Glass Spheres: 11 mm average diameter	Other companies are acceptable. PIV seeding particles
CCD cross-correlation camera	TSI, Inc.	POWERVIEW 11M: CCD, Double-exposure, 4008×2672 pixels @ 4.2 Hz with 12bit dynmic range	Other companies are acceptable. Double-exposurem, CCD camera for PIV imaging.
High-speed camera	Photron	FASTCAM SA3; Model 60K: 1024×1024 pixels @ 1kHz	Other companies are acceptable. CMOS camera for high speed imaging.
Synchronizer	TSI, Inc.	LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036	Other companies are acceptable. Synchronize the acquisition of the PIV camera and laser.
Calibration target	TSI, Inc.		Other companies are acceptable. Precision target for image calibration.