Mesure simultanée de la Turbulence et de la cinématique de particules qui utilise les Techniques d’imagerie de flux

De nombreux domaines de l’ingénierie et des sciences naturelles comportent des problèmes associés à l’interaction des particules fluides. Cette méthode fournit une mesure optique simultanée relativement peu rentable et non intrusive des trajectoires de particules et des vitesses d’écoulement. Ici, nous mesurons les vitesses de décantation des particules sédimentaires dans un flux turbulent, permettant une caractérisation détaillée des trajectoires des particules tout en mesurant simultanément les vitesses turbulentes au même endroit.

Pour commencer la configuration de velocimétrie d’image de particule, fixez un laser d’impulsion de haute intensité de double tête horizontalement niveau sur une plaque optique, en ligne avec l’installation d’écoulement. Placez une lentille cylindrique en ligne avec le laser pour produire un plan 2D de lumière qui sera en dessous de la grille oscillante. Montez ensuite une lentille sphérique après la lentille cylindrique à une distance qui générera une feuille de lumière de 5 à 1 millimètre d’épaisseur.

Ensuite, placez une caméra CCD à double exposition perpendiculaire à la feuille de lumière pour enregistrer des images pour PIV. Fixez un objectif à l’appareil photo, allumez-le et réglez-le en mode libre et continu. Concentrez grossièrement la caméra PIV sur l’installation de flux turbulent.

Ajustez l’ouverture et la position de la caméra jusqu’à ce que l’image soit plus petite ou proche des limites souhaitées des feuilles lumineuses. Puis éteignez la caméra et allumez le laser à basse intensité. Confirmez que la feuille de lumière est perpendiculaire au sol, puis placez une cible d’étalonnage marquée d’une grille précisément au centre de la feuille de lumière.

Il est essentiel de s’assurer que la caméra PIV est perpendiculaire à la feuille de lumière et que la feuille de lumière est perpendiculaire au plancher ou au fond de l’installation. Le désalignement entraîne des projections de vitesse incorrectes, et donc une erreur de vitesse fluide. Éteignez le laser et allumez la caméra.

Concentrez la caméra sur la cible d’étalonnage et capturez une seule image. Ouvrez l’image dans le logiciel de traitement d’image et confirmez que l’espacement de la ligne, de la hauteur et de la colonne est cohérent sur l’ensemble de la cible. Les tailles des marqueurs d’angle ne doivent pas différer d’un pixel et idéalement, elles doivent être identiques.

Si l’image répond à ces critères, supprimez la cible d’étalonnage. Installez le réseau et exécutez l’installation. Puis introduire environ une cuillère à soupe pleine de particules traceurs PIV dans le fluide.

Attendez que les traceurs et le liquide soient bien mélangés avant de continuer. Ensuite, allumez le laser et réglez-le au contrôle externe et à la puissance élevée. Éteignez les lumières de la pièce et capturez une paire d’images pour évaluer la densité du traceur.

Augmentez graduellement la concentration du traceur par cuillère à café-pleins à la densité visuelle désirée. Réglez ensuite le taux d’image de la caméra PIV à la valeur la plus élevée possible et définissez l’heure entre les images PIV consécutives. Confirmez que le laser est configuré de manière appropriée.

Éteignez ensuite les lumières et collectez des données en mode libre pendant quelques secondes. Cross corréler les paires d’images et de confirmer que les données acquises sont de bonne qualité. Arrêtez l’oscillation de la grille une fois terminée.

Pour commencer à mettre en place le suivi des particules 2D, placez une lumière monochromatique de ligne LED sous l’installation de grille d’oscillation de sorte que la feuille de lumière sera centrée dans la ligne led. Allumez la lumière de la ligne LED et le laser à faible puissance. Confirmez que la feuille de lumière et la lumière de la ligne sont bien alignées, puis éteignez-les.

Ensuite, fixez une lentille à une caméra à grande vitesse CMOS qui sera utilisée pour le suivi des particules. Allumez la caméra en mode continu ou en direct gratuit, et concentrez-la grossièrement sur la région d’intérêt. Ajustez la hauteur et la distance de l’ouverture de la caméra de suivi des particules jusqu’à ce que la région d’intérêt soit avec son champ de vision et que la caméra soit de niveau et perpendiculaire à la lumière de la ligne.

Éteignez la caméra. Allumez la lumière de ligne et placez la cible d’étalonnage au centre de la lumière de ligne. Puis éteignez la lumière de la ligne, allumez la caméra et concentrez-la sur la cible.

Capturez une image de la cible d’étalonnage et confirmez que la caméra de suivi des particules est de niveau, perpendiculaire à la cible et au point sans distorsion d’image sur les bords. Retirez la cible d’étalonnage par la suite. Réglez ensuite le nombre d’images à grande vitesse à collecter.

En fonction de la vitesse prévue des particules, définissez la vitesse et la résolution du cadre en valeurs qui devraient atteindre le déplacement des particules de trois à 10 pixels entre les images. Installez la grille, allumez la lumière de la ligne LED et assombrissez la pièce. Démarrez l’oscillation de la grille et introduisez une petite partie des particules d’intérêt dans le flux.

Lorsque les particules apparaissent sur la caméra à grande vitesse, capturer quelques images. Il est important que les traces de particules soient clairement visibles dans les images, ce qui indique que les particules restent en plan et ne se chevauchent pas fréquemment. Le non-respect de ces critères entraînera l’incapacité de suivre avec précision les particules.

Confirmez qu’il n’y a pas d’effets d’entrée visibles, que le chevauchement des particules est peu fréquent et que le mouvement des particules se fait principalement en plan. Arrêtez l’oscillation une fois terminée. Pour commencer l’étalonnage final, avec les lumières tamisées placer la cible d’étalonnage dans les feuilles de lumière LED et laser.

Éteignez le laser et la LED et allumez les lumières de la pièce. Assurez-vous que la cible d’étalonnage est au point dans la caméra FOVs, et a une marque unique visible pour les deux caméras. Capturez une image de la cible d’étalonnage sur les deux caméras.

Notez les emplacements pertinents de la marque unique, et confirmez que les caméras sont toujours de niveau et ne montrent aucune distorsion sur les bords. Retirez ensuite la cible d’étalonnage, installez la grille et démarrez l’oscillation. Laissez-le fonctionner pendant au moins 20 minutes pour permettre au flux d’atteindre un état stable.

Puis assombrissez la pièce, allumez la lumière de la ligne LED et introduisez les particules dans le flux. Démarrez simultanément les impulsions laser et l’acquisition d’images pour les deux systèmes lorsque des particules apparaissent dans la caméra de suivi des particules FOV. Lorsque l’acquisition de données est terminée, enregistrez les images et arrêtez l’oscillation de la grille.

Analyser la distribution de la vitesse d’écoulement et les trajectoires des particules. Les images PIV peuvent être traitées en distributions instantanées de vitesse et de vorticité des fluides. Ici, la distribution du vecteur de vitesse fluide est superposée sur une carte de couleur de vorticité.

Avec cette configuration, l’ampleur de la moyenne spatiale de la fluctuation moyenne de la vitesse des fluides au carré sur le champ de vision PIV devrait augmenter avec la fréquence d’oscillation pour les composants de vitesse horizontale et verticale. Les trajectoires et les vitesses des particules peuvent être déterminées à partir des images de suivi des particules à grande vitesse. La distribution des vitesses des particules devrait être à peu près gaussienne.

Ici, les particules de formes irrégulières plus grandes montraient généralement des distributions de vitesse des particules avec des écarts types plus importants que ceux des particules sphériques plus petites. Bien que les deux ensembles de particules aient montré des distributions avec de plus grandes vitesses verticales moyennes et des écarts types plus grands pendant que le taux d’oscillation de grille augmentait. Les vitesses stagnantes de décantation du débit des particules synthétiques, du sable industriel et du sable recueilli localement ont déterminé à partir de leurs trajectoires de particules toutes à peu près d’accord avec les courbes Dietrich.

La tendance des particules à installer des vitesses à augmenter avec la fréquence d’oscillation de grille a été explorée plus loin dans l’analyse suivante. La mesure optique simultanée de la cinétique des particules et de la dynamique des fluides, en particulier la turbulence, est difficile en raison du risque d’interférence entre les deux techniques d’imagerie, ce qui entraîne des inexactitudes de mesure. Les flux fortement tridimensionnels ne conviennent pas bien à cette technique, car les mouvements en plan produiront des erreurs tant dans le suivi 2D que dans l’analyse de la vélocimétrie des particules.

La concentration de particules suivies doit être relativement faible pour maximiser la confiance que la même particule est suivie dans des images consécutives. En outre, les traceurs PIV et les particules suivies doivent être suffisamment différents pour les distinguer. L’intégration de l’information sur la vitesse d’écoulement avec la trajectoire des particules dépend de ce qui est étudié.

Par exemple, cette méthode peut également examiner les vitesses d’écoulement à des cas spécifiques dans le temps le long de la trajectoire de la particule. Cette technique a été démontrée avec le transport des sédiments, une application pour les sciences du mouvement, mais elle est pertinente dans de nombreuses applications où le flux de fluide interagit avec des particules naturelles ou artificielles.