Medida simultánea de la cinemática de la partícula usando técnicas de imagen de flujo y turbulencia

Summary

La técnica descrita en el presente documento ofrece un método relativamente simple y de bajo costo para medir simultáneamente la cinemática de la partícula y la turbulencia en flujos con concentraciones bajas de partículas. La turbulencia se mide utilizando partículas imagen velocimetry (PIV), y cinemática de la partícula se calcula a partir de imágenes obtenidas con una cámara de alta velocidad en un campo de vista superpuesto.

Abstract

Numerosos problemas en los campos científicos y de ingeniería implican entender la cinemática de partículas en flujos turbulentos, tales como contaminantes, microorganismos marinos y sedimentos en el océano, o en reactores de lecho fluidizado y los procesos de combustión en sistemas de ingeniería. Para estudiar el efecto de la turbulencia sobre la cinemática de las partículas en dichos flujos, se requieren mediciones simultáneas de la cinemática del flujo y la partícula. Existen técnicas de medición de flujo no intrusivo, óptico para medir la turbulencia, o para el seguimiento de las partículas, pero ambos al mismo tiempo de medición puede ser difícil debido a la interferencia entre las técnicas. El método aquí presentado proporciona un método relativamente simple y de bajo costo para hacer medidas simultáneas de la cinemática de la partícula y el flujo. Una sección transversal del flujo se mide utilizando una partícula imagen velocimetry (PIV) técnica, que proporciona dos componentes de velocidad en el plano de medición. Esta técnica utiliza un láser de pulsos para la iluminación del campo de flujo sembrado que es fotografiada por una cámara digital. La cinemática de la partícula son simultáneamente reflejada con una lámpara que emite luz de línea del diodo (LED) que ilumina una sección plana de la corriente que se superpone con la PIV campo de visión (FOV). La luz de la línea es de energía suficientemente baja que no afecta las medidas de PIV, pero lo suficientemente potente como para iluminar las partículas más grandes de interés reflejada usando la cámara de alta velocidad. Imágenes de alta velocidad que contienen los pulsos del láser de la técnica PIV se filtran fácilmente examinando el nivel de intensidad sumados de cada imagen de alta velocidad. Haciendo que la velocidad de fotogramas de la cámara alta velocidad inconmensurable con el de la velocidad de fotogramas de cámara PIV, puede reducirse el número de contaminados fotogramas de la serie de tiempo de alta velocidad. La técnica es conveniente para flujos significa que son predominantemente bidimensionales, contienen partículas que son al menos 5 veces el diámetro medio de la PIV siembra trazadores y baja concentración.

Introduction

Existen un gran número de aplicaciones en campos científicos y de ingeniería que involucren el comportamiento de las partículas en el flujo turbulento, por ejemplo, aerosoles en la atmósfera, contaminantes o sedimentos en sistemas de ingeniería y Marina los microorganismos o sedimentos en el océano^1,2,3. En este tipo de aplicaciones, es a menudo de interés para entender cómo las partículas responden a las turbulencias, que requiere la medición simultánea de la cinemática de la partícula y la dinámica de fluidos.

Tecnologías existentes para medir movimientos de la partícula, llamados rastreo de partículas (PT), que rastrea la trayectoria de la partícula individual y la técnica estadística de partículas imagen velocimetry^4,5 (PIV), utilizan para medir el flujo velocidades, ambos incorporan técnicas ópticas no intrusiva. El principal desafío en el uso de estas técnicas ópticas no intrusiva para medir simultáneamente la cinemática del flujo y la partícula es la iluminación independiente para cada técnica de imagen que no puede interferir con la medición exactitud ( por ejemplo, la fuente de iluminación para la medición de la cinemática de la partícula no puede actuar como una fuente de ruido importante en la medición de la velocidad del fluido y viceversa). El contraste de la imagen en ambos conjuntos de imágenes debe ser suficiente para obtener resultados fiables. Por ejemplo, las imágenes de PT se convierten en imágenes en blanco y negro con el fin de realizar un análisis de blob para determinar las posiciones de la partícula; así, el contraste insuficiente conduce a errores en la posición de la partícula. Contraste pobre en cantidad de imágenes PIV a un cociente signal-to-noise bajo que provocarán inexactitudes en la estimación de las velocidades del fluido.

Aquí, se describe un método relativamente simple y de bajo costo para medir simultáneamente dos velocidades de cinemática y el flujo de partículas. Mediante el uso de una alta potencia de luz monocromática emite luz, de la línea de diodo (LED) donde la línea se refiere a la abertura de luz y doble cabeza láser de alta intensidad, tanto las partículas de interés y el campo de flujo se reflejada en la misma región al mismo tiempo. La alta potencia del LED es suficiente para la proyección de imagen de las partículas (orugas) de la cámara de alta velocidad pero no afecta a las imágenes PIV porque la intensidad de la luz dispersada de trazadores PIV es demasiado baja. Cuando el láser de alta intensidad de doble cabeza ilumina el campo de flujo de las imágenes PIV, se produce en un intervalo a corto plazo y estas imágenes son fácilmente identificadas y eliminadas de la serie de tiempo obtenida por la cámara de alta velocidad PT cuando se registran. PIV láser de pulsos registrados en el tiempo (utilizado para el rastreo de partículas) de alta velocidad imagen serie puede minimizarse por no ejecutar los dos sistemas a precios de adquisición de marco que son proporcionales entre sí. En las configuraciones más avanzadas, uno podría desencadenar externamente las cámaras PT y PIV con un retraso que asegure que esto no sucede. Finalmente, por una cuidadosa consideración de la cantidad de partículas que se rastrean en el campo de visión (FOV) de PIV, los errores introducidos por estas partículas seguidas en el análisis de correlación de imágenes PIV son ya tenidos en cuenta por la general estimación de error, incluyendo errores asociados con la distribución de tamaño no uniforme de trazadores PIV en la ventana de interrogación. La gran mayoría de la PIV marcadores de siembra siguiendo el flujo, produciendo estimaciones de velocidad de flujo exacta. Estas técnicas permiten la medida directa simultánea de ambos la partícula cinemática y el flujo de campo en un plano bidimensional.

Esta técnica se demuestra aplicando para determinar partículas colocar las características de un flujo turbulento, similar a la utilizada en los estudios por Yang y tímido⁶ y Jacobs et al. ⁷. partícula de adaptación es la etapa final en transporte de sedimentos, que generalmente consiste en suspensión de sedimento transporte y asentamiento. En la mayoría estudios anteriores que han abordado la partícula en el flujo turbulento, o trayectorias de la partícula o velocidades turbulentas no son directamente medidos pero deducido teóricamente modelado^8,9,10. Detalles sobre las interacciones entre las partículas y las turbulencias han sido investigados más a menudo posible usando modelos teóricos y numéricos debido a las limitaciones experimentales en la medición de ambos al mismo tiempo^6,11. Presentamos un estudio de caso de interacción partícula-turbulencia en una instalación de rejilla oscilante, donde se estudia la velocidad de sedimentación de las partículas y su acoplamiento con turbulencia. Para mayor claridad, en lo sucesivo nos referiremos a las partículas del objeto de investigación en “partículas” y la siembra utilizado en la técnica PIV como “trazadores”; Además, nos referiremos a la cámara que se utiliza para la proyección de imagen de alta velocidad de las trayectorias de partículas como “rastreo de partículas”, “PT” o “alta velocidad”, cámara que mide “imágenes de alta velocidad” y la cámara se utiliza para el método PIV la “cámara PIV”, que medidas de “imágenes”. El método aquí descrito permite la medida simultánea de la cinemática de partículas y dinámica de fluidos sobre un campo predefinido de interés dentro de las instalaciones. Los datos obtenidos proporcionan una descripción de dos dimensiones de la interacción de partículas turbulencia.

Protocol

Nota: Todo el personal debe ser entrenado en el uso seguro y funcionamiento de los láseres de clase IV, así como en el uso seguro y operación de herramientas manuales y eléctricas. 1. Montaje experimental Config de la PIV Establecer la doble cabeza láser y óptica. Coloque el láser en una placa óptica. Nivel láser con respecto a la parte inferior de la instalación (o con respecto a la tierra si se desea tener velocidades verticales alineados…

Representative Results

Un esquema del montaje experimental se muestra en la figura 1. La figura muestra el arreglo de hojas de luz (LED y láser), la superposición en el campo de la imagen y la posición del campo de la imagen en relación con la rejilla oscilante y paredes del tanque. Las turbulencias y las partículas se miden simultáneamente como se describe en la sección de protocolo. La figura 2 muestra resultados de ejemplo de las mediciones d…

Discussion

El método descrito en este documento es relativamente barato y proporciona una manera simple de medir simultáneamente la trayectoria de la partícula y la turbulencia para examinar la influencia del flujo en la cinemática de la partícula. Cabe mencionar que los flujos o movimientos de partículas que son fuertemente tridimensionales no son apropiados para esta técnica. El movimiento hacia fuera-de-plano resultará en errores¹⁷ en 2D de seguimiento y el análisis PIV y debe reducirse al mínim…

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.