난류 애플리케이션을위한 세 가지 차원 입자 추적 유속계 : 제트 흐름의 사례
Summary
네 도면 스플리터 고속 카메라 기반 입체 입자 추적 속도계 (3D-PTV) 시스템은 여기에 설명된다. 기술 하류 ≈ 7000 다시 레이놀즈 수에서 열 지름 근방 원형 파이프에서 제트류에인가된다.
Abstract
3D-PTV는 이미지 시퀀스의 스테레오 촬영에 입체적으로 입자의 집합의 라그랑 경로를 추적 할 목적으로 정량 유량 측정 기술이다. 구성 요소, 기능, 제약 및 네보기 스플리터와 고속 카메라로 구성된 3D-PTV 토폴로지 최적화 팁 기본 설명이 문서에서 설명합니다. 이 기술은 다시 ≈ 7,000에서 원형 제트의 중간 유동장 (5 <x / d의 <25)에 적용된다. 오일러 프레임의 라그랑 플로우 기능과 난류 수량은 제트 기원의 다운 스트림 열 직경 주위와 제트 코어에서 다양한 반경 거리에서 추정된다. 라그랑 특성 궤적, 속도 및 가속도 선택된 입자뿐만 아니라 Serret-Frenet 식으로부터 얻어지는 흐름 경로의 곡률을 포함한다. 10시에 위치한 크로스면에서 제트 핵심 축을 중심으로 3D 속도와 난류 필드의 추정제트의 하류 직경은 문헌과 비교되고, 대규모 유선 속도 움직임의 파워 스펙트럼은 제트 코어로부터 다양한 방사상 거리에서 얻어진다.
Introduction
난류 제트 흐름은 엔지니어링 분야에서 유비쿼터스 있습니다. 이러한 흐름의 상세한 특성화는 전자 마이크로 스케일 디바이스에 대규모 환경 배출 시스템에서 실질적인 문제 걸치는 넓은 스펙트럼에서 매우 중요하다. 4 – 때문에 다양한 응용 프로그램의 수에 미치는 영향의 제트 흐름은 깊이 1에서 연구되고있다. 열선 풍속계 등 여러 실험 기법 4 – 8, 레이저 도플러 속도계 (LDV) (4), 9-12 및 입자상 유속계 (PIV) 12-16은 제트 레이놀즈 수와 경계 다양한 흐름 특성화하는데 사용되어왔다 정황. 최근 몇몇 연구는 제트 (17) 흐름의 18 난류 / 비 난류 인터페이스를 연구하기 위해 3D-PTV를 사용되었습니다. 3D-PTV는 복잡한 난류 파이를 설명하는 데 적합하는 기술이다다른 관점에서 필드들. 그것은 멀티 뷰 입체를 사용하여 참조의 라그랑 프레임에 볼륨 내의 입자 궤적의 재구성을 할 수 있습니다. 첫번째 기술은 창 (19)에 의해 도입 된 추가 Racca 듀이 (20)에 의해 개발되었다. 24 – 그 이후로 많은 개선이 3D-PTV 알고리즘과 실험 장치 (21)에 이루어졌다. 이러한 성과 이전 작품으로, 시스템이 성공적으로 4 MX 2 MX 2m (25), 실내 공기 흐름 필드 (26)의 영역에서 대규모의 유체 운동 등 다양한 유체 현상을 연구하는 데 사용되었습니다, 박동성 (27)과 대동맥 혈액 흐름 (28) 흐름 .
3D-PTV 측정의 작동 원리는 데이터 수집 시스템 설정, 기록 / 재생의 전처리, 교정, 3D 대응, 시간 추적 및 후 처리로 구성된다. 정확한 보정은 입자 위치의 정확한 검출이 가능에스. 세 개 이상의 이미지보기 검출 입자의 대응 에피 폴라 기하에 기초하여 3 차원 입자 위치의 재구성을 허용한다. 연속적인 이미지 프레임의 결합은, 입자 궤도의 S (t)를 정의 시간 추적 결과. 3D-PTV 시스템의 최적화 다중 입자 추적 가능성을 최대화하기 위해 중요하다.
최적화의 첫 번째 단계는 고속 카메라, 조명 원 시드 입자의 특징을 포함 적절한 데이터 수집 시스템을 획득하는 것이다. 질의 볼륨의 크기와 함께 카메라 해상도가 있으므로, 화소 크기를 정의하고, 단일 픽셀보다 커야 필요한 시드 입자 크기. 검출 된 입자의 무게 중심은 명도 (21)에 의해 가중 된 입자 화소의 평균 위치를 취함으로써 서브 픽셀 정확도로 추정된다. 카메라의 프레임 비율이 밀접되어 associat레이놀즈 수 검출 입자를 연결할 수있는 능력 에디션. 높은 프레임 레이트는 이미지 사이의 평균 변위가 입자의 평균 분리를 넘으면 트랙킹이 어려워지기 때문에 빠른 흐름 또는 입자들보다 많은 수의 해결을 허용한다.
셔터 속도, 조리개 및 감도는 이미지 캡처에서 고려해야 할 세 가지 요소입니다. 셔터 속도가 빠른 충분해야 입자 중심 위치의 불확실성을 감소시키는 입자 주위 흐리게 최소화합니다. 카메라 조리개 볼륨 외부 입자를 검출 할 확률을 감소시키는 질의 볼륨의 심도로 조정되어야한다. 카메라의 최대 감도가 고정되어 있기 때문에, 프레임 레이트가 증가함에 따라, 필요에 따라 빛이 증가한다 입자를 조명하는 데 필요한. PIV 달리 복잡한 광학 설정 및 고출력 레이저는 엄격하게 한 광원이 충분히 배설물 같이, 3D-PTV 필요하지카메라에 추적 입자에서 거행 한. 연속 LED 또는 할로겐 조명 동기화 (21)의 필요성을 우회 좋은 비용 효율적인 옵션입니다.
3D-PTV에 다른 광학 유동 측정 기술처럼 추적 입자 속도는 로컬 순간 유속 29으로 가정한다. 그러나,이 널 직경 관성 이상적인 트레이서 경우만이다 추적 입자는 충분히 큰 카메라로 포착 할 수 있어야합니다. 유한 입자의 충실도 스톡스 번호 S t에 의해 결정될 수 있고, 입자의 완화 시간 스케일 비율 관심 난류 구조의 시간 척도 즉. 일반적으로, S t는 S의 t은 1보다 훨씬 작아야한다 ≤0.1 흐름 추적 오차는 1 % 30 이하. 깊이있는 논의는 메이 등의 알에서 찾아 볼 수있다 29 -. 31 </sup>. 3D-PTV 실험에 대한 권장 입자 크기는 광원과 카메라의 감도에 따라 달라집니다. 할로겐 조명 원으로서 LED 조명, 비교적 큰 입자들 (예를 들면 50 ~ 200 μm의) 작은 입자 (32) 반면, (예를 들어 1-50 μm의) 33, 34 (고출력 레이저를 사용할 수있다 예를 들어 80-100 와트 사용 CW 레이저). 특정 파장의 빛에 대한 높은 반사율을 가진 입자는, 할로겐 조명 아래 코팅은 같은 이미지로 자신의 마크를 증폭 할 수있다. 파종 밀도 성공적인 3D-PTV 측정하는 또 다른 중요한 변수이다. 입자의 과도한 수의 대응을 수립하고 추적에서 모호성을 야기하면서 몇 가지 입자는 궤도의 낮은 숫자 초래한다. 대응을 수립 모호성은 중복 입자와 정의 에피 폴라 라인을 따라 여러 후보를 검출을 포함한다. 추적 과정에서의 모호성 때문에 높은 seedin 행 g 밀도 때문에 입자의 평균 비교적 짧은 간격으로 발생한다.
두 번째 단계는 이미지 품질을 향상시키기 위해 기록 / 전처리에 최적의 설정이다. 이러한 흑색 레벨 이득 (G 및 B)와 같은 촬영 설정, 이미지 품질을 최적화하는 중요한 역할을한다. 이득은 화상의 밝기를 증폭하는 반면 흑색 레벨은 화상의 가장 어두운 부분에서 휘도 레벨을 정의한다. G & B 수준의 약간의 변화가 현저하게 추적 가능성에 영향을 미칠 수 있습니다. 사실, 높은 G & B 이미지를 과도하게 밝게 결국 카메라 센서가 손상 될 수 있습니다. 이를 설명하기 위해, 흐름 재건에 G & B 수준의 영향은이 문서에서 검사된다. 전처리 단계에서, 이미지로부터의 광 분산 입자를 강조하는 고역 통과 필터로 필터링된다. 픽셀 크기는 계조 질의 볼륨 내의 입자 검출을 최대화하도록 조정된다.
t "> 최적화의 세 번째 단계는 에피 폴라 기하학, 카메라 파라미터 (초점 거리 원칙적 가리킨 왜곡 계수) 및 굴절율의 변화에 기반 입체 영상의 정확한 보정된다.이 과정은 3 차원을 최소화하기 위해 중요 기점 목표 지점의 재구성 에러. 에피 폴라 기하 타겟 이미지로부터 경사각 (카메라 질의 볼륨 사이의) 상대 거리를 사용한다. 질의 볼륨을 통해 카메라 뷰를 따라 굴절률 변화가 질량 절차에 기초하여 고려 될 수있다 등. (21).이 실험에서, 규칙적으로 목표 지점으로 3D 계단 형 구조를 대상으로 사용된다.두 이미지는 3D 입자 위치를 결정하는 데 필요한 있지만 3D-PTV 실험에서 전형적 이상의 카메라는 21 모호성을 줄이기 위해 사용된다. 여러 고속 카메라와 비싼 설정에 대한 대안은 VI입니다으으 3D-PTV의 사용에 대한 호이어 등의 알에 의해 제안 된 스플리터. (35) 최근 생물 의학 응용 프로그램에 대한 Gulean 등. (28)에 의해인가. 보기 스플리터는 피라미드 모양의 거울 (이에 관해서 차 거울)과 네 개의 조정 가능한 미러 (보조 미러 이에 관해서)로 구성되어 있습니다. 본 연구에서는 네보기 스플리터와 하나의 카메라는 4 대의 카메라에서 입체 영상을 모방하는 데 사용되었다. 시스템은 직경 (D)의 H = 1cm 및 R6 ≈ 7000 라그랑에서 함께 토출 관의 중간 유동장의 특성을 사용하고, 오일러 제트 기원의 하류 직경 약 14.5-18.5에서 프레임.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D-PTV는 많은 다른 사람의 사이에서 대동맥 토폴로지 (28) 등의 낮은 대기 (25), 실내 공기 분배 (26), 또는 타악기 흐름에 큰 규모의 난류 운동 난류 흐름의 다양한 복잡한 물리학을 해명하기 위해 큰 잠재력을 가지고있다. 그러나, 장점 및 제한뿐만 아니라 경험 이해 가능성을 최대화하기 위해 중요하다. 시행 착오 예비 시험 및 프레임 레이트, 조명 원, G 및 B 레벨 및 이?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 레오나르도 P. 차모로어의 스타트 업 패키지의 일부로 기계 공학, 어 바나 – 샴페인 일리노이 대학,학과에 의해 지원되었다.
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). |
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