Metodi per misurare l'orientamento e rotazione Tasso di particelle in turbolenza 3D-stampati
Summary
We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.
Abstract
Metodi sperimentali sono presentati per misurare il moto rotatorio e traslatorio di particelle anisotrope in flussi di fluidi turbolenti. tecnologia di stampa 3D è usato per fabbricare le particelle con le braccia esili collegati ad un centro comune. Forme esplorati sono croci (due aste perpendicolari), jack (tre aste perpendicolari), triadi (tre aste in triangolare simmetria planare), e tetradi (quattro armi nella simmetria tetraedrica). Metodi per la produzione dell'ordine di 10.000 particelle fluorescenti tinti sono descritti. Misure di tempo-risolta del loro orientamento e la velocità di rotazione solid-body sono ottenuti da quattro video sincronizzati del loro moto in un flusso turbolento tra oscillante griglie con R λ = 91. In questo relativamente basso-Reynolds flusso numero, le particelle sono abbastanza piccole convogliati che approssimano particelle traccianti ellissoidali. Presentiamo risultati delle traiettorie 3D risolte nel tempo di posizione e orientamento delle particellecosì come le misure delle loro velocità di rotazione.
Introduction
In una recente pubblicazione, abbiamo introdotto l'uso di particelle costituite da più braccia sottili per misurare il movimento rotatorio delle particelle in turbolenza 1. Queste particelle possono essere fabbricati utilizzando stampanti 3D, ed è possibile misurare con precisione la loro posizione, l'orientamento e la velocità di rotazione con più telecamere. Utilizzando strumenti dalla teoria corpo snello, si può dimostrare che queste particelle hanno corrispondente ellissoidi efficaci 2, ed i moti rotatori di queste particelle sono identiche a quelle dei rispettivi ellissoidi efficaci. Le particelle con le braccia simmetriche di uguale lunghezza ruotano come sfere. Una tale particella è un martinetto, che ha tre bracci reciprocamente perpendicolari allegate al suo centro. Regolazione delle relative lunghezze dei bracci di presa può formare una particella equivalente a qualsiasi ellissoide triassiale. Se la lunghezza di un braccio viene impostato uguale a zero, questo crea una croce, il cui ellissoide equivalente è un disco. Le particelle fatte di sottilibraccia occupano una piccola frazione del solido volume delle loro controparti solide ellissoidali. Di conseguenza, si sedimentano più lentamente, rendendoli più facili da partita densità. Ciò consente lo studio delle particelle molto più grande è conveniente con particelle ellissoidali solide. Inoltre, l'imaging può essere eseguita in concentrazioni di particelle molto più elevate perché le particelle bloccano una frazione più piccola della luce da altre particelle.
In questo lavoro, i metodi per la fabbricazione e il monitoraggio di particelle 3D-stampati sono documentate. Strumenti per il monitoraggio del movimento di traslazione di particelle sferiche da posizioni delle particelle come si è visto da più telecamere sono stati sviluppati da diversi gruppi 3,4. Parsa et al. 5 esteso questo approccio per monitorare aste utilizzando la posizione e l'orientamento delle barre visti da più telecamere. Qui, presentiamo i metodi per fabbricare particelle di un'ampia varietà di forme e ricostruire il loro orientamento 3D. Questo offre the possibilità di estendere tracking 3D di particelle con forme complesse ad una vasta gamma di nuove applicazioni.
Questa tecnica ha un grande potenziale per un ulteriore sviluppo a causa della vasta gamma di forme di particelle che possono essere progettati. Molte di queste forme hanno applicazioni dirette dei flussi ambientali, dove plancton, semi e cristalli di ghiaccio sono disponibili in una vasta gamma di forme. Le connessioni tra le rotazioni di particelle e le proprietà fondamentali su piccola scala di flussi turbolenti 6 suggeriscono che lo studio delle rotazioni di queste particelle fornisce nuovi modi di guardare il processo a cascata turbolenta.
Protocol
Representative Results
Discussion
Misurazioni della vorticità e la rotazione delle particelle nel flusso di fluido turbolento sono da tempo riconosciuti come importanti obiettivi in meccanica dei fluidi sperimentali. La rotazione solido-corpo di piccole sfere in turbolenza è pari alla metà della vorticità fluido, ma la simmetria rotazionale di sfere ha misurazione diretta della loro rotazione solid-body difficile. Tradizionalmente, la vorticità fluido è stato misurato utilizzando complesse, multi-sensore, a filo caldo sonde 14. Ma…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo Susantha Wijesinghe che ha progettato e costruito il sistema di compressione delle immagini che usiamo. Noi riconosciamo il sostegno della NSF concessione DMR-1.208.990.
Materials
| Condor Nd:YAG 50W laser | Quantronics | 532-30-M | |
| High speed camera | Basler | A504k | |
| High speed camera | Mikrotron | EoSens Mc1362 | |
| Rhodamine-B | ScienceLab.com | SLR1465 | |
| Sodium Hydroxide | Macron | 7708 | Pellets. |
| 500 Connex 3D printer | Objet | Used to make smaller particles. Particles ordered from RP+M (rapid prototyping plus manufacturing). | |
| VeroClear | Stratasys | RGD810 | Objet build material. |
| Form 1+ 3D printer | Formlabs | Used to make larger particles. | |
| Clear Form 1 Photopolymer Resin | Formlabs | ||
| Cylindrical and spherical lenses | |||
| 200, 100, 50 mm macro camera lenses | F-mount. | ||
| Ultrasonic bath | Sonicator | ||
| Calcium Chloride | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | CAS 10043-52-2 | Pellets. |
| LabVIEW System Design Software | National Instruments | Used to trigger cameras, control grid, and trigger laser. | |
| XCAP Software | EPIX | Used with LabVIEW to trigger cameras. | |
| MATLAB | Mathworks | Used for all image and data analysis. Programs for extracting 3D orientations from multiple images are included with this publication. | |
| OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetry | OpenPTV Consortium | ||
| ParaView | Kitware | ||
| AutoCAD | AutoDesk | Used to design all particles. Screenshots of particle designs are all of AutoCAD. | |
| Mesh with 0.040 x 0.053 inch holes | Industrial Netting | XN5170–43.5 | |
| Camera filters | Schneider Optics | B+W 040M |
Riferimenti
- Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence. New J. Phys. 16, 102001 (2014).
- Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).
- Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).
- Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid. Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501 (2012).
- Parsa, S., Voth, G. Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence. Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501 (2014).
- Tsai, R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).
- Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence. Phys. Fluids. 22 (1), 015107 (2010).
- Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. Experimental study of relative, turbulent diffusion. RISO Internal Report. , (1999).
- Chan, K., Stich, D., Voth, G. Real-time image compression for high-speed particle tracking. Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704 (2007).
- Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. . Classical Mechanics, 3rd Edition. , 134-180 (2002).
- Parsa, S. . Rotational dynamics of rod particles in fluid flows. , (2013).
- Wijesinghe, S. . Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence. , (2012).
- Wallace, J., Foss, J. The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows. Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).
- Su, L., Dahm, W. Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors. Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).
- Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow. J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).
- Frish, M., Webb, W. Direct measurement of vorticity by optical probe. J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).
- Zimmerman, R., et al. Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906 (2011).
- Zimmerman, R., et al. Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow. Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501 (2011).
- Klein, S., Gibert, M. a. t. h. i. e. u., Bérut, A., Bodenschatz, E. Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow. Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).
- Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles. J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).
