Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

Summary

La tecnica descritta nel presente documento offre un metodo relativamente semplice e basso costo per misurare simultaneamente la cinematica delle particelle e turbolenza dei flussi con concentrazioni di particelle basso. La turbolenza è misurata usando particle image velocimetry (PIV) e cinematica delle particelle sono calcolati dalle immagini ottenute con una fotocamera ad alta velocità in un campo di vista sovrapposto.

Abstract

Numerosi problemi in campi scientifici e ingegneristici coinvolgono comprensione della cinematica delle particelle in flussi turbolenti, come contaminanti, micro-organismi marini, e/o sedimenti nell’oceano, o reattori a letto fluidizzato e processi di combustione sistemi ingegnerizzati. Al fine di studiare l’effetto della turbolenza sulla cinematica delle particelle in tali flussi, sono necessarie misure simultanee della cinematica delle particelle sia il flusso. Esistono tecniche di misurazione di flusso non-intrusivo, ottici per la misurazione di turbolenza, o per tenere traccia delle particelle, ma entrambi di misura contemporaneamente può essere difficile a causa dell’interferenza tra le tecniche. Il metodo presentato qui fornisce un metodo relativamente semplice e basso costo per rendere misure simultanee della cinematica della particella e di flusso. Una sezione trasversale del flusso è misurata usando una tecnica di particella image velocimetry (PIV), che fornisce due componenti della velocità sul piano di misurazione. Questa tecnica utilizza un laser pulsato per illuminazione del campo di flusso teste di serie che è ripreso da una fotocamera digitale. La cinematica delle particelle sono contemporaneamente Imaging utilizzando una luce che emettono diodi (LED) linea luce che illumina una sezione trasversale planare del flusso che si sovrappone con la PIV campo di vista (FOV). La luce di linea è di potere abbastanza basso che essa non pregiudica le misure PIV, ma abbastanza potente per illuminare le particelle più grandi di interesse Imaging utilizzando la macchina fotografica ad alta velocità. Immagini ad alta velocità che contengono gli impulsi laser dalla tecnica PIV sono facilmente filtrate esaminando il livello di intensità sommata di ogni immagine ad alta velocità. Rendendo la frequenza dei fotogrammi della telecamera ad alta velocità incommensurabile con quello della frequenza fotogrammi fotocamera PIV, il numero di fotogrammi contaminati nelle serie temporali ad alta velocità può essere minimizzato. La tecnica è adatta per flussi medi che sono prevalentemente bidimensionali, contengono particelle che sono almeno 5 volte il diametro medio di PIV semina traccianti e sono bassi nella concentrazione.

Introduction

Esistono un gran numero di applicazioni in campi di ingegneria e scientifiche che coinvolgono il comportamento delle particelle in flussi turbolenti, ad esempio, aerosol l’atmosfera, contaminanti e/o sedimenti nei sistemi ingegnerizzati e marine micro-organismi o sedimento in oceano^1,2,3. In tali applicazioni, è spesso di interesse per capire come le particelle rispondono alla turbolenza, che richiede la misura simultanea della cinematica delle particelle e la dinamica dei fluidi.

Le tecnologie esistenti per misurare movimenti delle particelle, chiamate particelle di rilevamento (PT), che tiene traccia delle singole particelle traiettorie e la tecnica statistica di particle image velocimetry^4,5 (PIV), utilizzato per misurare il flusso velocità, entrambi incorporano tecniche ottiche non intrusiva. La sfida principale nell’utilizzo di queste tecniche ottiche non intrusiva per misurare il flusso e la particella cinematica contemporaneamente è l’illuminazione separata richiesta per ogni tecnica di imaging che non può interferire con dell’altro misurazione precisione ( ad esempio, la fonte di illuminazione per la misura della cinematica delle particelle non può agire come una fonte di rumore significativo nella misurazione della velocità del fluido e viceversa). Il contrasto dell’immagine in entrambi gli insiemi di immagini deve essere sufficiente per ottenere risultati affidabili. Ad esempio, le immagini di PT sono convertite in immagini in bianco e nero al fine di eseguire un’analisi di blob per determinare le posizioni delle particelle; così, contrasto insufficiente porta a errori nella posizione della particella. Scarso contrasto pari a PIV immagini un basso rapporto segnale-rumore che causerà imprecisioni nella stima della velocità del fluido.

Qui, un relativamente basso costo e semplice metodo per misurare simultaneamente entrambe le velocità cinematica e flusso di particelle è descritto. Attraverso l’uso di una luce monocromatica ad alta potenza che emettono linea diodo (LED) luce, dove la linea si riferisce alla luce e laser ad alta intensità doppia testina, entrambe le particelle di interesse e il campo di flusso sono Imaging contemporaneamente nella stessa regione. L’alto potere del LED è sufficiente per l’imaging delle particelle (cingolate) dalla telecamera ad alta velocità ma non impatto le immagini PIV poiché l’intensità della luce sparso da traccianti PIV è troppo basso. Quando il laser ad alta intensità doppia testina illumina il campo di flusso per le immagini PIV, si verifica in un intervallo di tempo breve e queste immagini sono facilmente identificate e rimossi dalla serie tempo ottenuti dalla telecamera ad alta velocità PT quando vengono registrati. PIV laser impulsi registrati nel tempo immagini ad alta velocità (usato per particella di rilevamento) serie possono essere minimizzati eseguendo non i due sistemi al frame rate di acquisizione che sono commisurati a vicenda. Nelle configurazioni più avanzate, uno potrebbe innescare esternamente le telecamere PT e PIV con un ritardo che garantirebbe che questo non accade. Infine, da un’attenta considerazione della quantità di particelle rilevate nel PIV campo visivo (FOV), eventuali errori introdotti da queste particelle rilevate in analisi di correlazione di immagini PIV già si tiene conto per la stima dell’errore complessivo, compresi gli errori associati con distribuzione non uniforme di traccianti PIV all’interno della finestra di interrogatorio. La stragrande maggioranza dei PIV semina traccianti stanno seguendo il flusso, producendo le stime di velocità di flusso preciso. Queste tecniche consentono la misura diretta simultanea di entrambi la cinematica e flusso campo particella in un piano bidimensionale.

Questa tecnica è illustrata applicandolo per determinare delle particelle stabilirsi caratteristiche in un flusso turbolento, simile a quello utilizzato negli studi di Yang e timido⁶ e Jacobs et al. ⁷. sedimentazione delle particelle è la fase finale nel trasporto di sedimenti, che in genere consiste di sospensione dei sedimenti, trasporto e sedimentazione. Nella maggior parte degli studi precedente che hanno affrontato delle particelle stabilirsi in flussi turbolenti, o traiettorie delle particelle o turbolenta velocità non sono misurate direttamente ma dedotta teoricamente o modellato^8,9,10. Dettagli sulle interazioni tra particelle e turbolenza più spesso sono stati studiati utilizzando modelli teorici e numerici a causa delle limitazioni sperimentali in misura entrambi contemporaneamente^6,11. Presentiamo uno studio finalizzato di interazione particella-turbolenza in una struttura di griglia oscillante, dove si studiano la velocità di sedimentazione delle particelle e loro accoppiamento con turbolenza. Per chiarezza, in seguito si farà riferimento alle particelle sotto inchiesta come “particelle” e le particelle semina utilizzate per la tecnica PIV come “traccianti”; Inoltre, si farà riferimento alla fotocamera utilizzata per l’imaging ad alta velocità delle traiettorie delle particelle come il “rilevamento delle particelle”, “PT” o “alta velocità” fotocamera, che misura “immagini ad alta velocità” e la fotocamera utilizzata per il metodo PIV “fotocamera PIV”, che misura “immagini”. Il metodo qui descritto consente la misura simultanea di particelle cinematica e dinamica dei fluidi sopra un campo pre-definito di interesse all’interno della struttura. I dati ottenuti forniscono una descrizione bidimensionale dell’interazione particella-turbolenza.

Protocol

Nota: Tutto il personale devono essere addestrato nell’uso sicuro e operazione di laser di classe IV anche come l’uso sicuro e funzionamento della mano ed attrezzi a motore. 1. sperimentale Installazione di PIV Impostare la doppia testina laser e ottica. Posizionare il laser su una piastra di ottica. Livellare il laser rispetto alla parte inferiore della struttura (o rispetto a terra se si desidera avere velocità verticale allineata con accelerazion…

Representative Results

Un disegno schematico dell’apparato sperimentale è illustrato nella Figura 1. La figura mostra la disposizione dei fogli di luce (LED e laser), la sovrapposizione nella FOVs e la posizione della FOVs rispetto alla griglia oscillante e le pareti del serbatoio. La turbolenza e le particelle sono misurate simultaneamente, come descritto nella sezione protocollo. La figura 2 Mostra i risultati di esempio delle misurazioni della velo…

Discussion

Il metodo qui descritto è relativamente poco costoso e fornisce un modo semplice per misurare simultaneamente le traiettorie delle particelle e turbolenza al fine di esaminare l’influenza del flusso sulla cinematica delle particelle. È degno di menzione che flussi o movimenti delle particelle che sono fortemente tridimensionali non sono adatti per questa tecnica. Il movimento fuori del piano si tradurrà in errori¹⁷ in 2D di rilevamento e l’analisi PIV e deve essere ridotto al minimo. Inoltre, i…

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.