Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas

Summary

A técnica descrita neste documento oferece um método de baixo custo e relativamente simples para medir simultaneamente a cinemática da partícula e a turbulência dos fluxos com concentrações de partículas de baixa. A turbulência é medida usando Velocimetria por imagem (PIV) e cinemática da partícula são calculados a partir de imagens obtidas com uma câmera de alta velocidade em um campo de visão sobreposto.

Abstract

Inúmeros problemas em campos científicos e de engenharia envolvem compreensão da cinemática das partículas em escoamentos turbulentos, como contaminantes, micro-organismos marinhos, e/ou sedimentos no oceano, ou reatores de leito fluidizado e processos de combustão em sistemas projetados. Para estudar o efeito da turbulência sobre a cinemática das partículas em tais fluxos, medições simultâneas de cinemática o fluxo e a partícula são necessárias. Existem técnicas de medição de fluxo não-intrusivo, óptico para medição de turbulência, ou para acompanhamento de partículas, mas ambos simultaneamente de medição pode ser desafiador devido à interferência entre as técnicas. O método apresentado neste documento fornece um método de baixo custo e relativamente simples para fazer medições simultâneas de cinemática o fluxo e a partícula. Uma seção transversal do fluxo é medida usando uma técnica de Velocimetria (PIV) partícula imagem, que fornece duas componentes de velocidade no plano de medição. Esta técnica utiliza um laser pulsado para a iluminação do campo semeado de fluxo que é fotografado por uma câmera digital. A cinemática da partícula são simultaneamente fotografada usando uma luz emitindo luz de diodo (LED) linha que ilumina uma seção transversal planar do fluxo que se sobrepõe com o PIV campo de visão (FOV). A luz de linha é de poder baixa o suficiente, que não afeta as medições de PIV, mas poderoso o suficiente para iluminar as partículas maiores de interesse fotografada usando a câmera de alta velocidade. Imagens de alta velocidade que contêm os pulsos de laser de técnica PIV são facilmente filtradas, examinando o nível de intensidade somados de cada imagem de alta velocidade. A taxa de quadros da câmera de alta velocidade, tornando desproporcionadas com que a taxa de quadros de câmera PIV, o número de contaminados quadros da série de tempo de alta velocidade pode ser minimizado. A técnica destina-se a média dos fluxos que são predominantemente bidimensionais, conter partículas que são pelo menos 5 vezes o diâmetro médio do PIV semeadura traçadores e baixa concentração.

Introduction

Existem um grande número de aplicações em campos científicos e de engenharia que envolvem o comportamento de partículas em escoamentos turbulentos, por exemplo, de aerossóis na atmosfera, contaminantes e/ou sedimentos em sistemas projetados e da Marinha micro-organismos ou sedimentos no oceano^1,2,3. Em tais aplicações, muitas vezes é de interesse de entender como as partículas respondem a turbulência, que exige medida simultânea da cinemática da partícula e a dinâmica dos fluidos.

Tecnologias existentes para medir os movimentos de partículas, chamados partícula de rastreamento (PT), que rastreia as trajetórias das partículas individuais e a técnica estatística de particle image velocimetry^4,5 (PIV), usado para medir o fluxo velocidades, ambos incorporam técnicas ópticas não-intrusiva. O principal desafio na utilização destas técnicas ópticas não-intrusiva para medir o fluxo e a partícula cinemática simultaneamente é a iluminação separada exigida para cada técnica de imagem que não pode interferir com do outro medição (precisão por exemplo, a fonte de iluminação para medir a cinemática da partícula não pode atuar como uma fonte significativa de ruído na medição da velocidade do fluido e vice-versa). O contraste da imagem em ambos os conjuntos de imagens deve ser suficiente para obter resultados fiáveis. Por exemplo, as imagens de PT são convertidas em imagens em preto e branco a fim de realizar uma análise de blob para determinar as posições das partículas; assim, o contraste insuficiente leva a erros na posição da partícula. Contraste pobre em quantidades de imagens PIV para uma baixa relação sinal-ruído que causará imprecisões na estimativa das velocidades da fluido.

Aqui, um método relativamente simples e baixo custo para medir simultaneamente ambas as velocidades de cinemática e fluxo da partícula é descrito. Através da utilização de uma luz monocromática de alta potência, emitindo luz, linha de diodo (LED) onde a linha refere-se à abertura de luz e dual-cabeça do laser de alta intensidade, ambas as partículas de interesse e o campo de fluxo são fotografadas na mesma região, simultaneamente. A alta potência do LED é suficiente para a imagem das partículas (rastreadas) pela câmera de alta velocidade, mas não afeta as imagens PIV, porque a intensidade da luz espalhada de traçadores PIV é muito baixa. Quando o laser de alta intensidade dupla-cabeça acende-se o campo de fluxo para as imagens PIV, ocorre durante um curto intervalo de tempo, e essas imagens são facilmente identificadas e retiradas da série de tempo obtida pela câmera de alta velocidade PT, quando eles são registrados. PIV laser pulsos gravados na época de imagem de alta velocidade (usada para rastreamento de partícula) série pode ser minimizado pela não execução dos dois sistemas em taxas de aquisição de quadros que são proporcionais entre si. Em configurações mais avançadas, um poderia provocar externamente os PT e PIV câmeras com um atraso que iria garantir que isso não acontece. Finalmente, por consideração cuidadosa da quantidade de partículas sendo controladas dentro do PIV campo de visão (FOV), quaisquer erros introduzidos por essas partículas controladas na análise de correlação de imagens PIV são já tidos em conta pela estimativa de erro global, incluindo erros associados com a distribuição de tamanho não-uniforme dos marcadores PIV dentro da janela de interrogatório. A grande maioria do PIV semeadura marcadores está seguindo o fluxo, produzindo estimativas de velocidade de fluxo precisa. Estas técnicas permitem a medição directa simultânea de ambas as partículas cinemática e fluxo de campo em um plano bidimensional.

Essa técnica é demonstrada por aplicá-lo para determinar a partícula se estabelecer características em um fluxo turbulento, semelhante ao utilizado em estudos por Yang e tímido⁶ e Jacobs et al ⁷. partícula liquidação é o estágio final no transporte de sedimentos, que geralmente consiste em suspensão de sedimentos, transporte e sedimentação. Na maioria dos estudos anteriores que abordaram a partícula, fixando-se em escoamentos turbulentos, ou trajetórias de partículas ou turbulentas velocidades não são medidas diretamente, mas deduzido teoricamente ou modelado^8,9,10. Detalhes sobre as interações entre partículas e turbulência mais frequentemente foram investigados usando modelos teóricos e numéricos devido às limitações experimentais em medir ambos simultaneamente^6,11. Apresentamos um estudo de caso de interação de partículas-turbulência em uma instalação de grade oscilante, onde estudamos a velocidade de sedimentação de partículas e seu acoplamento com turbulência. Para maior clareza, doravante nos referiremos às partículas sob investigação como “partículas” e as partículas de propagação utilizadas para a técnica PIV como “marcadores”; Além disso, vamos nos referir a da câmera usada para o tratamento de imagens de alta velocidade das trajectórias de partículas como o “rastreamento de partículas”, “PT” ou “alta velocidade” câmera, que mede a câmera usado para o método PIV a “câmera PIV” e “imagens de alta velocidade”, que medidas de “imagens”. O método aqui descrito permite a medição simultânea de partículas cinemática e dinâmica dos fluidos em um campo pré-definido de interesse dentro da instalação. Os dados obtidos fornecem uma descrição bidimensional da interação das partículas-turbulência.

Protocol

Nota: Todo o pessoal deve ser treinado no uso seguro e operação de lasers de classe IV, bem como no uso seguro e operação de ferramentas manuais e de poder. 1. Montagem experimental Instalação do PIV Configure o dual-cabeça do laser e óptica. Coloque o laser sobre uma chapa óptica. Nível a laser com relação a parte inferior da instalação (ou em relação ao chão se se deseja ter velocidades verticais alinhadas com aceleração gravitac…

Representative Results

Um esquema da instalação experimental é mostrado na Figura 1. A figura mostra o arranjo das folhas de luz (LED e laser), a sobreposição nos FOVs e a posição dos FOVs em relação a grade oscilante e paredes do tanque. A turbulência e as partículas são medidas simultaneamente, conforme descrito na seção de protocolo. A Figura 2 mostra os resultados do exemplo das medições de velocidade instantânea e vorticidade junt…

Discussion

O método descrito neste documento é relativamente barato e fornece uma maneira simples de medir simultaneamente as trajetórias de partículas e turbulência para examinar a influência do fluxo na cinemática da partícula. É digno de nota para mencionar que os fluxos ou movimentos de partículas que são fortemente tridimensionais não são well-suited para esta técnica. O movimento fora-de-avião irá resultar em erros¹⁷ em 2D acompanhamento e a análise PIV e deve ser minimizado. Além dis…

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.