Методы измерения ориентации и Скорость вращения 3D-распечатаны Частицы в Турбулентность

Общая цель этого эксперимента заключается в том, чтобы использовать 3D-принтер для изготовления частиц самых разных форм и измерения их движения в турбулентном потоке. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы гидродинамики, такие как вращение и выравнивание частиц в турбулентных потоках жидкости. Его основное преимущество заключается в том, что он позволяет проводить прецизионные измерения ориентации частиц сложной формы с временным разрешением, которые не могли быть достигнуты с помощью предыдущих методов.

Этот метод позволил получить представление о движении дисков и сфер в турбулентности и может быть использован для измерения динамики частиц сложной формы во многих других ситуациях. Как правило, люди, не знакомые с этим методом, будут испытывать трудности с калибровкой 3D-камеры и адаптацией алгоритма определения ориентации к конкретным используемым частицам. Помогать демонстрировать процедуру будет Гай Маркус, который проводил оригинальные эксперименты с крестами и валетами.

Начните с использования программного обеспечения для автоматизированного проектирования для создания моделей частиц для печати. Чтобы создать триаду с помощью AutoCAD, сначала с помощью команды круг нарисуйте круг диаметром 0,3 миллиметра. Затем используйте команду выдавливания, чтобы получить цилиндр длиной три миллиметра.

Цилиндры такого размера являются строительными блоками частиц. Теперь используйте команду поворота и выберите ось вращения, которая будет находиться вдоль оси X, и угол поворота, равный 90 градусам. Настройте вид, чтобы освободить место для работы с другими цилиндрами.

Далее сделайте копию цилиндра, который будет вторым плечом триады. В конце этого цилиндра примените команду поворота 3D с осью вращения вдоль оси Z. Поверните цилиндр на 120 градусов для трезвучия.

Переместите повернутый цилиндр в нужное положение, чтобы сформировать рычаг триады. Центры концов цилиндров должны совпадать. Таким же образом сделайте и расположите третью руку.

Затем поверните объект так, чтобы цилиндр не указывал вдоль вертикального или горизонтального доступа. Когда все руки будут на своих местах, выберите их все и используйте команду union, чтобы объединить их в один объект. Сохраните файл в формате для 3D-печати.

Создайте другие частицы, которые будут использоваться в эксперименте, выполнив аналогичные действия. В дополнение к триаде, существует крест из двух ортогональных цилиндров с общим центром, домкрат из трех взаимно ортогональных цилиндров с общим центром и тетрада, в которой цилиндры имеют общий конец и находятся под углом 109,5 градусов по отношению друг к другу. Напечатайте около 10 000 частиц каждого типа в высоком разрешении.

Приготовьтесь к хранению напечатанных частиц в растворе, в котором они обладают нейтральной плавучестью. Для этого используют раствор хлористого кальция, и примерно 1 600 литров воды при нейтральной плотности плавучести. Удалите около одного литра раствора для хранения каждого вида частиц.

Возьмите литр раствора на стенд и начните работу с частицами. Частицы, использованные в этом эксперименте, были напечатаны на коммерческой основе. Они поставляются заключенными в смолу, используемую в качестве поддерживающего материала.

Освободите частицы, аккуратно разломив крупные кусочки на мелкие части. Работайте с каждым участком, чтобы вручную массировать его, пока большая часть излишков смолы не сойдет. Это облегчит дальнейшие шаги.

Для дальнейшей очистки частиц приготовьте в стакане 10%-ный массовый раствор гидроксида натрия. Затем поместите некоторые частицы и то, что осталось от их смолы, в стакан, чтобы удалить смолу. Переместите стакан с раствором в ультразвуковую ванну.

Подержите частицы в ультразвуковой ванне первоначально в течение одного часа, затем еще полчаса после полоскания. Чтобы восстановить частицы, подготовьте второй стакан для приема раствора гидроксида натрия из ванны и фильтр. После того, как этапы ультразвуковой очистки будут завершены, используйте перчатки, чтобы извлечь стакан из ванны, и вылейте содержимое через фильтр во второй стакан.

Промойте частицы перед тем, как переместить их в раствор соответствующей плотности, куда они будут погружены, чтобы предотвратить деформацию. Это частицы, которые были освобождены от смолы, очищены в ультразвуковой ванне и теперь готовы к окрашиванию для флуоресциации под зеленым лазерным светом. Чтобы окрасить частицы, используйте литровый раствор красителя Rhodamine-B в воде и поместите его на горячую плиту.

Нагрейте краситель до 80 градусов Цельсия для материала этой частицы. Неплотно заполните небольшую емкость частицами из хранилища. Это будет примерно 2 500 частиц.

Добавьте частицы в раствор красителя и поддерживайте температуру во время погружения. Примерно через два-три часа снимите раствор и частички с огня. Используйте сетку и отдельную емкость для фильтрации частиц из раствора.

Будьте осторожны, чтобы не повредить их, пока они мягкие от жары. Далее тщательно промойте частички, чтобы удалить излишки красителя. Когда закончите, храните их в растворе нейтральной плавучести до тех пор, пока они не понадобятся для эксперимента.

Эксперимент будет проходить в резервуаре с камерами, размещенными для регистрации частиц в центре потока. На этой схеме представлен обзор конфигурации резервуара, которая имеет восьмиугольное поперечное сечение, колеблющиеся сетки, используемые для создания турбулентного потока, объем измерений и положение камеры. Используйте как минимум четыре камеры для точного измерения ориентации.

Каждая камера должна иметь разрешение не менее одного мегапикселя при 450 кадрах в секунду и быть подключена к выделенному компьютеру. Расположите камеры под большим углом между любыми двумя из них и убедитесь, что все они сфокусированы на желаемом объеме измерения. Чтобы свести к минимуму оптические искажения, в бак встроены смотровые порты, которые расположены перпендикулярно направлению обзора камеры.

Далее поместите калибровочную маску изображения в измерительный объем бака. Это позволит анализировать экспериментальные данные, собранные камерами. Чтобы смоделировать экспериментальные условия, начните заполнение бака объемным раствором нейтральной плавучести.

Когда бак будет заполнен, установите подсветку для подсветки маски. Далее вернитесь к работе с камерами. Сфокусируйте каждую камеру в одной и той же точке маски, а затем получите и сохраните изображения для калибровки.

После осушения резервуара продолжайте настройку эксперимента, установив лазер на неодимовом иттрие-алюминиевом гранате. Установите светоделитель, чтобы направлять часть лазерного луча на зеркало. Свет идет от зеркала через линзы, образующие цилиндрический луч, и попадает в резервуар.

На противоположной стороне резервуара разместите зеркало, чтобы оно отражало выходящий лазерный свет обратно по его пути. Используйте другой выход светоделителя и аналогичное расположение зеркал и линз для создания цилиндрического луча, перпендикулярного первому, как на этой схеме вида сверху. Зеркала, из которых выходят лучи, помогают создать более равномерное освещение.

Затем осмотрите бак, который заполнен дегазированным нейтральным раствором хлорида кальция. Прежде чем продолжить, убедитесь, что камеры и программное обеспечение для сбора данных готовы. Приготовьтесь добавить в аквариум примерно 10 000 тетрад, которые были подготовлены для этого эксперимента.

Переместите их на место рядом с портом в верхней части бака. Когда все будет готово, откройте порт и добавьте частицы в воду в баке. Закройте порт, как только все частицы будут добавлены.

Далее переходим к лазеру. Там включите его, и откройте лазерную апертуру. Затем используйте элементы управления сеткой, чтобы запустить колебания сетки с частотой в три герца.

В баке дайте сетке колебаться в течение примерно одной минуты, чтобы турбулентность полностью развилась. На этом этапе начните сбор данных и запишите около миллиона кадров. По завершении прогона прекратите сбор данных и закройте лазерную апертуру.

После того, как все эксперименты будут проведены, двигайтесь к выходному отверстию бака. Там же установите фильтр для удаления частиц из раствора и опорожните бак. Сохраните собранные частицы в растворе нейтральной плавучести для последующего использования.

Выполняйте анализ данных на записанных изображениях с помощью программного обеспечения для определения положения и ориентации частиц. Следующие шаги реализованы в программном обеспечении. Начав с четырех синхронных изображений частицы, захваченных четырьмя камерами, используйте двумерную информацию для определения ее трехмерного положения.

Проецируйте трехмерную численную модель освещенной частицы на каждую камеру, используя параметры калибровки камеры. Это создает двумерную модель интенсивности света от частицы на всех четырех камерах. Затем выполните процедуру нелинейной аппроксимации методом наименьших квадратов, чтобы найти ориентацию модели, которая лучше всего соответствует тому, что видно на всех четырех камерах.

Объедините информацию со всех четырех камер, чтобы свести к минимуму разницу между моделью, проецируемой на каждую камеру, и наблюдаемой частицей. Эти действия будут выполнены для всех кадров, которые имеют частицы в поле зрения всех камер. Это эволюция тетрады в положении и ориентации.

Обратите внимание на прерывистое изменение ориентации тетрадных рукавов, которое можно иметь без предохранителей. Эта вторая версия эволюции тетрады показывает, что программное обеспечение гарантирует, что углы смазывания для каждого кадра являются наименьшими по отношению к предыдущему кадру. Информация о положении и ориентации сохраняется для последующего использования.

Это одно из изображений тетрады с камеры в эксперименте. На втором изображении наложенная модель указывает ориентацию, найденную алгоритмом. Несмотря на простоту двумерной модели интенсивности, метод позволяет точно измерять ориентацию частиц.

В эксперименте используется алгоритм определения ориентации для получения эволюции углов масленки по всей траектории каждой частицы. Это реконструкция полной траектории тетрады по объему просмотра. Это достигается за счет объединения ориентации и трехмерных координат частицы для каждого кадра, в котором она находится в поле зрения всех четырех камер.

Протяженность трассы составляет 229 кадров. Обратите внимание, что частица не прорисовывается в масштабе. Эти данные также позволяют определить функцию плотности вероятности измеренной скорости переворачивания.

Красные квадраты — это данные для крестиков. Синие кружки — это данные для домкратов. Сплошная линия представляет собой результат численного моделирования сфер, который очень хорошо согласуется с экспериментальными данными.

После освоения этой техники ее можно выполнить за три дня при правильном выполнении. При попытке выполнить эту процедуру важно дать частицам пару часов в растворах разной плотности. Также важно убедиться, что камеры правильно выровнены, зафиксированы и синхронизированы на протяжении всего эксперимента.

После этой процедуры можно использовать другие методы, такие как отслеживание частиц-индикаторов, чтобы измерить, как напечатанные на 3D-принтере частицы реагируют на полный натяжитель градиента скорости в окружающем потоке. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как использовать анизотропные частицы для извлечения информации о натяжении градиента скорости из турбулентного потока с помощью четырех стереоскопических видеоизображений. Не забывайте, что работа с красителем Rhodamine-B и гидроксидом натрия может быть опасной, поэтому при выполнении этой процедуры всегда следует соблюдать меры предосторожности, такие как перчатки и защитные очки.