Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren
Summary
Die hier beschriebene Technik bietet eine relativ einfache und kostengünstige Methode, um simultane Messung von Teilchen Kinematik und Turbulenz in Strömungen mit niedrigen Partikelkonzentrationen. Die Turbulenzen wird mittels Particle Image Velocimetry (PIV) gemessen, und Partikel Kinematik errechnen sich aus Bildern, die mit einer Hochgeschwindigkeitskamera in überlappenden Sichtfeld.
Abstract
Zahlreiche Probleme im Natur- und ingenieurwissenschaftliche Felder beinhalten Verständnis der Kinematik von Partikeln in turbulente Strömungen, wie Schadstoffe, marine Mikroorganismen und/oder Sedimente in den Ozean, oder die Wirbelschicht Reaktoren und Verbrennungsprozessen in Anlagenbau. Um die Auswirkungen der Turbulenzen auf die Kinematik der Partikel in solche Strömungen zu studieren, werden gleichzeitige Messungen von den Fluss und die Partikel Kinematik benötigt. Non-intrusive, optischen Fluss Messverfahren zur Messung von Turbulenzen oder für die Verfolgung von Teilchen, existieren aber beides gleichzeitig messen kann aufgrund von Interferenzen zwischen den Techniken schwierig sein. Die hier vorgestellte Methode bietet eine relativ einfache und kostengünstige Methode, um gleichzeitige Messung der Strömung und Partikel Kinematik machen. Ein Querschnitt durch die Strömung wird mit eine Particle Image Velocimetry (PIV) Technik, die bietet zwei Komponenten der Geschwindigkeit in der Messebene gemessen. Diese Technik nutzt einen gepulste Laser für die Beleuchtung des kernigen Strömungsfeldes, die mit einer digitalen Kamera abgebildet ist. Die Partikel-Kinematik sind gleichzeitig abgebildet mit eine Licht emittierende Diode (LED) Linie Licht, das einen planaren Querschnitt des Flusses, die mit der PIV Field beleuchtet-of-View (FOV) überschneidet. Die Linie Licht ist niedrig genug macht, dass es hat keinen Einfluss auf die PIV-Messungen, aber stark genug, um die größeren Partikel von Interesse zu beleuchten abgebildet mit der High-Speed-Kamera. High-Speed-Bilder, die die Laserpulse aus die PIV-Technik enthalten sind leicht gefiltert durch die Untersuchung der summierte Intensität jedes High-Speed-Bildes. Dadurch, dass die Frame-Rate der High-Speed-Kamera mit derjenigen der PIV-Kamera-Frame-Rate, kann die Anzahl der kontaminierten Frames in der High-Speed-Zeitreihe minimiert werden. Die Technik eignet sich für mittlere fließt, die überwiegend zweidimensional sind, enthalten Partikel, die sind mindestens 5 Mal der mittlere Durchmesser der PIV Aussaat Tracer und niedrige Konzentration.
Introduction
Es gibt eine große Anzahl von Anwendungen in wissenschaftlichen und technischen Bereichen, bei denen das Verhalten der Partikel in turbulente Strömungen, zum Beispiel, Aerosole in der Atmosphäre, Verunreinigungen und/oder Sedimente im Anlagenbau und marine Mikroorganismen oder Sediment in den Ozean1,2,3. In solchen Anwendungen ist es oft interessant zu verstehen, wie die Partikel zu Turbulenzen, reagieren die gleichzeitige Messung von Teilchen-Kinematik und die Fluiddynamik erfordert.
Vorhandene Technologien zur Messung von Teilchen Bewegungen, genannt Particle tracking (PT), die einzelnen Partikel Bahnen und die statistische Methode der Particle Image Velocimetry4,5 (PIV) Titel, verwendet zur Messung des Durchflusses Geschwindigkeiten, übernehmen beide berührungslose optische Verfahren. Die größte Herausforderung bei der Verwendung dieser berührungslose optische Techniken, um den Fluss und die Partikel Kinematik gleichzeitig zu messen ist die separate Beleuchtung für jede bildgebendes Verfahren, das eingegriffen werden kann und mit der anderen Messung (Genauigkeit erforderlich z. B. kann nicht der Beleuchtungsquelle für die Messung der Partikel-Kinematik als eine wesentliche Lärmquelle in der Fluidgeschwindigkeit Mess- und umgekehrt handeln). Den Kontrast des Bildes in beiden Sätzen von Bildern muss ausreichen, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Beispielsweise werden die PT-Bilder in schwarz / weiß-Bilder konvertiert, um ein Blob-Analyse zur Ermittlung der Partikelpositionen durchzuführen; so führt nicht genügend Kontrast zu Fehlern bei der Partikel Position. Schlechten Kontrast in PIV Bilder beläuft sich auf einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis, die Ungenauigkeiten bei Schätzung der Flüssigkeiten Geschwindigkeiten verursachen wird.
Hier ist eine relativ kostengünstige und einfache Methode, um gleichzeitig beide Teilchen Kinematik und Fluss Geschwindigkeiten messen beschrieben. Durch den Einsatz eines Hochleistungs-monochromatisches Licht emittierende Diode (LED) Linie Licht, wo die Linie bezieht sich auf die Lichtblende und Doppelkopf-hochintensive Laser, sind sowohl die Partikel von Interesse und das Strömungsfeld gleichzeitig in derselben Region abgebildet. Die hohe Leistung der LED ist ausreichend für die Bildgebung der (Tracking) Partikel von der High-Speed-Kamera aber hat keinen Einfluss die PIV-Bilder, da die Lichtintensität verstreut von PIV Tracer zu niedrig ist. Wenn der Doppelkopf-hochintensive Laser beleuchtet das Strömungsfeld für die PIV-Bilder, es erfolgt über ein kurzes Zeitintervall und diese Bilder sind leicht identifiziert und entfernt aus der Zeitreihe durch PT-Hochgeschwindigkeitskamera erhalten, wenn sie registriert sind. PIV laser Impulse aufgenommen in die High-Speed-Bild (verwendet für Partikel tracking) Zeit, die Serie minimiert werden kann, indem man nicht die beiden Systeme bei Erwerb Frameraten, die einander entsprechen. In weiter fortgeschrittenen-Setups könnte eine extern PT und PIV-Kameras mit einer Verzögerung auslösen, die dafür sorgen würde, dass dies nicht der Fall. Schließlich werden durch sorgfältige Prüfung der Höhe der Partikel, die im Rahmen der PIV-Sichtfeld (FOV) verfolgt, eingeführt durch diese verfolgten Teilchen in der Korrelationsanalyse PIV Bilder Fehler bereits durch die gesamte Fehlerschätzung berücksichtigt, auch Fehler im Zusammenhang mit ungleichmäßigen Größenverteilung der PIV-Tracer im Verhör-Fenster. Die überwiegende Mehrheit der PIV Aussaat Tracer folgen die Strömung, genaue Flow Velocity Schätzungen nachgeben. Diese Techniken ermöglichen die gleichzeitige direkte Messung der beiden Teilchen Kinematik und Flow Bereich in einer zweidimensionalen Ebene.
Diese Technik zeigt sich durch die Anwendung, um festzustellen, Partikel absetzen Merkmale in eine turbulente Strömung, ähnlich wie in den Studien von Yang und schüchtern6 und Jacobs Et al. 7. Partikel absetzen ist die letzte Stufe in der Sedimenttransport, besteht im Allgemeinen aus Sediment Federung, Transport und absetzen. In den meisten früheren Studien, die Partikel absetzen in turbulente Strömungen gerichtet haben, entweder Partikel Trajektorien oder turbulente Geschwindigkeiten nicht direkt gemessen, sondern theoretisch abgeleitet oder modelliert8,9,10. Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Turbulenzen in den meisten Fällen wurden untersucht anhand von theoretischen und numerischen Modellen aufgrund der experimentellen Einschränkungen bei der Messung beide gleichzeitig6,11. Wir präsentieren eine Partikel-Turbulenzen Interaktion Fallstudie in einer oszillierenden Raster-Anlage, wo wir die Sinkgeschwindigkeit der Partikel und deren Kopplung mit Turbulenzen zu studieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im folgenden die Partikel unter Untersuchung als “Partikel” und die Aussaat Partikel verwendet für die PIV-Technik als “Tracer”; bezeichnet Darüber hinaus verweisen wir auf die Kamera verwendet für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Partikel Bahnen als “Particle Tracking”, “PT” oder “High-Speed”-Kamera, die “High-Speed-Bilder” und die Kamera verwendet für die PIV-Methode “PIV-Kamera” Maßnahmen, die Maßnahmen “Bilder”. Die hier beschriebene Methode ermöglicht die gleichzeitige Messung von Partikeln Kinematik und Dynamik von Flüssigkeiten über ein vordefiniertes Feld von Interesse innerhalb der Anlage. Die gewonnenen Daten liefert eine zweidimensionale Beschreibung der Partikel-Turbulenzen Interaktion.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier beschriebene Methode ist relativ kostengünstig und bietet eine einfache Möglichkeit, gleichzeitig Teilchen Flugbahnen und Turbulenzen zu messen, um den Einfluss der Strömung auf Partikel Kinematik zu untersuchen. Es ist zu erwähnen, dass Ströme oder Partikel-Bewegungen, die stark dreidimensional sind nicht geeignet für diese Technik sind bemerkenswert. Die Out-of-Plane-Bewegung führt zu Fehler17 in der 2D tracking und der PIV-Analyse und minimiert werden. Darüber hinaus erfordert …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Teile dieser Arbeit wurden von der II-VI-Stiftung und der Coastal Carolina Professional Enhancement Zuschuss unterstützt. Wir würden auch gerne anerkennen, Corrine Jacobs, Marek Jendrassak und William Merchant für den Versuchsaufbau helfen.
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. |
Riferimenti
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