Gelijktijdige meting van turbulentie en Particle Kinematics met behulp van stroom beeldvormende technieken

Summary

De hier beschreven techniek biedt een goedkope en relatief eenvoudige methode om tegelijkertijd deeltje kinematica en turbulentie in stromen met lage deeltje concentraties. De turbulentie is gemeten met behulp van de particle image velocimetry (PIV) en deeltje kinematica zijn berekend uit de beelden verkregen met een high-speed camera in een overlappende veld-of-view.

Abstract

Tal van problemen in wetenschappelijke en technische velden betrekken inzicht in de kinematica van deeltjes in de turbulente stromen, zoals verontreinigingen, mariene micro-organismen en/of sedimenten in de Oceaan, of de fluïde bed reactoren en verbrandingsprocessen in Engineered systemen. Om het effect van de turbulentie op de kinematica van deeltjes in die stromen te bestuderen, zijn gelijktijdige metingen van de stroom en de deeltjes kinematica nodig. Niet-opdringerig, optische stroom meettechnieken voor het meten van de turbulentie, of voor het bijhouden van deeltjes, bestaan kan beide tegelijk meten echter uitdagende als gevolg van interferentie tussen de technieken. De hier vermelde methode biedt een goedkope en relatief eenvoudige methode om gelijktijdige metingen van de stroom en deeltje kinematica. Een dwarsdoorsnede van de stroom wordt gemeten met behulp van een particle image velocimetry (PIV) techniek, waarmee de twee componenten van de snelheid in de meting vlak. Deze techniek maakt gebruik van een gepulseerde-laser voor de verlichting van de geplaatste stroom veld dat image is gemaakt met een digitale camera. Het deeltje kinematica zijn gelijktijdig beeld met behulp van een licht emitterende diode (LED) lijn licht dat een vlakke doorsnede van de stroom dat wordt overlapt door het PIV gebied verlicht-van-weergave (FOV). De lijn licht is laag genoeg vermogen dat doet geen afbreuk aan de PIV-metingen, maar krachtig genoeg voor het verlichten van de grotere deeltjes van belang beeld met behulp van de high-speed camera. Snelle beelden die de laserpulsen uit de PIV-techniek bevatten zijn gemakkelijk gefilterd door het onderzoek van de opgeteld intensiteitsniveau van elke hoge snelheid beeld. Doordat de framesnelheid van de high-speed camera met die van de framesnelheid van de PIV-camera, kan het aantal besmette frames in de high-speed tijdreeksen worden geminimaliseerd. De techniek is geschikt voor gemiddelde stromen die overwegend tweedimensionaal zijn, deeltjes die minstens 5 keer de gemiddelde diameter van de PIV traceurs zaaien, en zijn lage concentratie bevatten.

Introduction

Er bestaat een groot aantal toepassingen op zowel wetenschappelijke en technische gebieden die betrekking hebben op het gedrag van deeltjes in de turbulente stromen, bijvoorbeeld, aërosolen in de sfeer, contaminanten en/of in aangelegde systemen, en mariene sedimenten micro-organismen of sediment in de oceaan^1,2,3. In dergelijke toepassingen is het vaak van belang om te begrijpen hoe de deeltjes reageren op turbulentie, waarvoor gelijktijdige meting van de deeltjes kinematica en de dynamica van de vloeistof.

Bestaande technologieën voor het meten van deeltje bewegingen, genaamd deeltje bijhouden (PT), die tracks individuele deeltjes trajecten en de statistische techniek van particle image velocimetry^4,5 (PIV), gebruikt voor het meten van stroom snelheden, nemen beide onopvallende optische technieken. De belangrijkste uitdaging bij het gebruik van deze niet-invasief optische technieken voor het meten van zowel de stroom en het deeltje kinematica gelijktijdig is de aparte verlichting nodig voor elke beeldvormende techniek die niet mengen met elkaars meting nauwkeurigheid) bijvoorbeeld, de bron van de verlichting voor het meten van de kinematica deeltje kan niet fungeren als een belangrijke geluidsbron in de meting van de snelheid van de vloeistof en vice versa). Het afbeeldingscontrast in beide sets van beelden moet voldoende zijn om betrouwbare resultaten te verkrijgen. Bijvoorbeeld, worden de PT-afbeeldingen geconverteerd naar zwart-wit beelden om te kunnen uitvoeren van een analyse van de blob om te bepalen van deeltje posities; dus leidt onvoldoende contrast tot fouten in de positie van de particle. Slecht contrast in PIV beelden bedragen naar een lage signal-to-noise verhouding die onnauwkeurigheden in de schatting van de vloeistof snelheden zullen veroorzaken.

Hier, wordt een relatief goedkope en eenvoudige methode om te meten gelijktijdig beide deeltje kinematica en stroom snelheden beschreven. Door het gebruik van een high-power monochromatisch licht emitterende diode (LED) lijn licht, waar de lijn naar de lichte diafragma en dual-head hoge intensiteit laser verwijst, zijn zowel de deeltjes van belang en het veld stroom gelijktijdig beeld in dezelfde regio. Het hoge vermogen van de LED is voldoende voor de beeldvorming van de (bijgehouden) deeltjes door de high-speed camera maar heeft geen gevolgen voor de PIV beelden omdat de lichtintensiteit verspreid van PIV traceurs te laag is. Wanneer de laser van de hoge intensiteit dual-head verlicht het veld van de stroom voor de PIV-beelden, het vindt plaats via een korte tijdsinterval en deze beelden gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd en verwijderd uit de tijdreeks verkregen door de snelle PT camera wanneer ze zijn geregistreerd. PIV laser pulsen opgenomen in de tijd van de hoge snelheid beeld (gebruikt voor particle bijhouden) serie kan worden geminimaliseerd door niet de twee systemen op overname framesnelheid in verhouding met elkaar staan. In meer geavanceerde opstellingen, kon een extern de PT en PIV camera’s met een vertraging zodat dit niet gebeurt zou teweegbrengen. Ten slotte, door zorgvuldige afweging van de hoeveelheid deeltjes worden bijgehouden in de PIV beeldveld (FOV), eventuele fouten geïntroduceerd door deze bijgehouden deeltjes in de analyse van de correlatie van PIV beelden zijn al rekening gehouden door de totale schatting van de fout, inclusief fouten die zijn gekoppeld aan niet-uniforme grootteverdeling van PIV traceurs binnen het venster van de ondervraging. De overgrote meerderheid van de PIV zaaien traceurs volgen de stroom, levert nauwkeurige flow velocity schattingen. Deze technieken kunnen de gelijktijdige rechtstreekse meting van zowel het deeltje kinematica en stroom veld in een tweedimensionaal vlak.

Deze techniek wordt aangetoond door het toepassen van het deeltje zich vestigen van kenmerken in een turbulente stroming, vergelijkbaar met die gebruikt in studies door Yang en verlegen⁶ en Jacobs et al. en controleer ⁷. deeltje afwikkeling is de laatste fase in sedimenttransport, die meestal uit het sediment schorsing, en vervoer regelen bestaat. In de meeste voorafgaande studies die deeltjes zich vestigen in turbulente stromen hebben aangepakt, ofwel deeltjes trajecten turbulente snelheden zijn niet rechtstreeks gemeten, maar afgeleid theoretisch of gemodelleerd^8,9,10. Details over de interacties tussen deeltjes en turbulentie zijn vaak onderzocht met behulp van theoretische en numerieke modellen als gevolg van de experimentele beperkingen bij de waardering van beide gelijktijdig^6,11. We presenteren een deeltje-turbulentie interactie casestudy in een oscillerende raster faciliteit, waar we de beslechting snelheid voor deeltjes en hun koppeling studie met turbulentie. Voor de duidelijkheid, zal hierna verwijzen we naar de deeltjes onderzochte als “particles” en de seeding deeltjes gebruikt voor de PIV-techniek als “tracers”; Bovendien zullen we verwijzen naar de camera gebruikt voor de snelle beeldvorming van de deeltjes-trajecten als de “deeltje volgen”, “PT” of “snelle” camera, dat meet “snelle beelden” en de camera gebruikt voor de PIV-methode de “PIV camera”, die Meet “beelden”. De hier beschreven methode kunt de gelijktijdige meting van de deeltjes kinematica en dynamica van de vloeistof over een vooraf gedefinieerde veld van belang binnen de faciliteit. De verkregen gegevens bevat een tweedimensionale beschrijving van de interactie van het deeltje-turbulentie.

Protocol

Opmerking: Al het personeel moeten worden getraind in de veilig gebruik en de werking van klasse IV lasers zo goed als in het veilige gebruik en de bediening van hand en macht gereedschappen. 1. experimentele opstelling PIV-instelling De dual-head laser en optica instellen. Plaats de laser op een optische plaat. Niveau van de laser ten opzichte van de onderkant van de faciliteit (of ten opzichte van de grond als het gewenst is dat de verticale snelhe…

Representative Results

Een schematische voorstelling van de experimentele opstelling is afgebeeld in Figuur 1. De afbeelding wordt de rangschikking van lichte bladen (LED en laser), de overlap in de FOVs, en de positie van de FOVs ten opzichte van het oscillerende raster en de wanden van de tank. De turbulentie en deeltjes worden gelijktijdig zoals beschreven in de sectie protocol gemeten. Figuur 2 toont een voorbeeld van de resultaten van de metingen …

Discussion

De hier beschreven methode is relatief goedkoop en biedt een eenvoudige manier om te meten gelijktijdig deeltje trajecten en turbulentie om te onderzoeken van de invloed van stroom op deeltje kinematica. Het is opmerkelijk te noemen dat stromen of deeltje bewegingen die sterk driedimensionale zijn zijn niet geschikt voor deze techniek. De uit-van-plane beweging zal resulteren in fouten,¹⁷ in zowel de 2D bijhouden en de PIV-analyse en moet worden geminimaliseerd. Bovendien vergt de methode de conce…

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.