Oryantasyon ve dönme hızının ölçülmesi yöntemleri türbülansına tanecikler 3D basılmış
Summary
We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.
Abstract
Deney Yöntemi: düzensiz sıvı akışlarında anizotropik parçacıkların dönme ve öteleme hareketini ölçmek için sunulmaktadır. 3D baskı teknolojisi ortak merkezi bağlanmış ince kol sahip partiküller imal etmek için kullanılır. keşfedilmeyi şekiller haçlar (iki dik çubuklar), krikolar (üç dik çubuklar), üçlü (üçgen düzlemsel simetri üç çubuklar) ve tetraddan (tetrahedral simetri içinde dört kol). 10.000 floresan boyanmış parçacıkların sırasına üretilmesi için yöntemler tarif edilmiştir. Onların yönelim ve katı cisim dönme hızının zamana bağımlı ölçümler bu nispeten düşük Reynolds sayısı akışında R λ = 91. ile ızgaraları salınımlı arasında türbülanslı akışta kendi hareket dört senkronize videolar elde edilir, advected parçacıklar kadar küçük onlar elipsoidal izleyici parçacıkları yaklaştığına. Biz parçacıkların konum ve yönelim olarak zaman çözülmüş 3D yörüngeleri sonuçlarını sunmakde kendi dönme oranları ölçümleri gibi.
Introduction
Son yayında, biz türbülans 1 parçacıkların dönme hareketini ölçmek için birden fazla ince kollar yapılan parçacıklarının kullanımını tanıttı. Bu parçacıklar 3D yazıcıları kullanılarak imal ve doğru bir şekilde pozisyon, yönünü ölçmek mümkündür, ve dönme hızı birden fazla kamera kullanarak yapılabilir. Ince vücut teoriden araçları kullanarak, parçacıklar etkili elipsoitler 2 mukabil olması gösterilebilir ve bu parçacıkların dönme hareketlerinin, ilgili etkin elipsoidinin özdeştir. eşit uzunlukta simetrik silah ile Parçacıklar küreler gibi döndürün. Bu tür bir parçacık merkezine tutturulması karşılıklı üç dikey kollara sahip bulunmaktadır, bir kriko, bir. Bir kriko kolları göreli uzunlukları ayarlama herhangi üç eksenli elipsoit bir parçacık eşdeğer oluşturabilir. bir kol uzunluğu sıfıra eşit ise, bu kimin eşdeğer elipsoid bir disk, bir haç, oluşturur. Narinlik yapılan partiküllerinkollar kendi katı elipsoidal meslektaşları katı hacminin küçük bir kısmını kaplar. Bunun bir sonucu olarak, bu yoğunluk maça daha kolay hale daha yavaş tortu. Bu katı madde, elips şeklinde tanecikler ile uygun daha büyük parçacıkların çalışma sağlar. parçacıklar diğer parçacıklar bir ışık daha küçük bir bölümü engellediği Ayrıca, görüntüleme daha yüksek partikül konsantrasyonlannda gerçekleştirilebilir.
Bu yazıda, imalat ve 3D baskılı parçacıkların izleme yöntemleri belgelenmiştir. Birden fazla kamera tarafından görüldüğü gibi parçacık pozisyonlarından küresel parçacıkların öteleme hareketini izlemek için Araçlar birçok grup 3,4 ile geliştirilmiştir. Parsa ve ark., 5 birden fazla kamera tarafından görülen çubuklar konumunu ve yönünü kullanarak çubukları izlemek için bu yaklaşımı uzatıldı. Burada, şekillerde çeşitli parçacıkların imal edilmesi ve 3D yönelimleri yeniden için yöntemler sunmaktadır. Bu th sunuyorE olasılığı, yeni geniş bir uygulama yelpazesine karmaşık şekilli parçacıkların 3B izleme genişletmek.
Bu teknik, çünkü dizayn edilebilir parçacık şekillerinin geniş daha da geliştirilmesi için büyük bir potansiyele sahiptir. Bu şekillerin çoğu plankton, tohumlar ve buz kristalleri şekillerin geniş bir dizi gelir çevre akımları doğrudan uygulamalar var. Parçacık rotasyonlar ve türbülanslı akışların 6 temel küçük ölçekli özellikleri arasındaki bağlantılar bu parçacıkların dönme çalışma çalkantılı çağlayan sürecine bakmak için yeni yollar sağladığını göstermektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
girdap ve türbülanslı sıvı akışı parçacıkların dönme Ölçümler uzun deneysel akışkanlar mekaniği önemli hedefler olarak kabul edilmiştir. türbülans küçük kürelerin katı cisim dönme yarı sıvı girdap eşittir, ancak kürelerin dönme simetrisi zor onların katı cisim dönme doğrudan ölçüm yaptı. Geleneksel olarak, sıvı girdap karmaşık, çok-sensörü kullanılarak ölçülen sıcak telli 14 irdeler. Ancak bu sensörler sadece büyük ortalama hıza sahip airflows tek nokt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz tasarlanmış ve kullandığımız görüntü sıkıştırma sistemi inşa Susantha Wijesinghe teşekkür ederim. Biz NSF hibe DMR-1208990 destek kabul.
Materials
| Condor Nd:YAG 50W laser | Quantronics | 532-30-M | |
| High speed camera | Basler | A504k | |
| High speed camera | Mikrotron | EoSens Mc1362 | |
| Rhodamine-B | ScienceLab.com | SLR1465 | |
| Sodium Hydroxide | Macron | 7708 | Pellets. |
| 500 Connex 3D printer | Objet | Used to make smaller particles. Particles ordered from RP+M (rapid prototyping plus manufacturing). | |
| VeroClear | Stratasys | RGD810 | Objet build material. |
| Form 1+ 3D printer | Formlabs | Used to make larger particles. | |
| Clear Form 1 Photopolymer Resin | Formlabs | ||
| Cylindrical and spherical lenses | |||
| 200, 100, 50 mm macro camera lenses | F-mount. | ||
| Ultrasonic bath | Sonicator | ||
| Calcium Chloride | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | CAS 10043-52-2 | Pellets. |
| LabVIEW System Design Software | National Instruments | Used to trigger cameras, control grid, and trigger laser. | |
| XCAP Software | EPIX | Used with LabVIEW to trigger cameras. | |
| MATLAB | Mathworks | Used for all image and data analysis. Programs for extracting 3D orientations from multiple images are included with this publication. | |
| OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetry | OpenPTV Consortium | ||
| ParaView | Kitware | ||
| AutoCAD | AutoDesk | Used to design all particles. Screenshots of particle designs are all of AutoCAD. | |
| Mesh with 0.040 x 0.053 inch holes | Industrial Netting | XN5170–43.5 | |
| Camera filters | Schneider Optics | B+W 040M |
References
- Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence. New J. Phys. 16, 102001 (2014).
- Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).
- Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).
- Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid. Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501 (2012).
- Parsa, S., Voth, G. Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence. Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501 (2014).
- Tsai, R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).
- Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence. Phys. Fluids. 22 (1), 015107 (2010).
- Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. Experimental study of relative, turbulent diffusion. RISO Internal Report. , (1999).
- Chan, K., Stich, D., Voth, G. Real-time image compression for high-speed particle tracking. Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704 (2007).
- Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. . Classical Mechanics, 3rd Edition. , 134-180 (2002).
- Parsa, S. . Rotational dynamics of rod particles in fluid flows. , (2013).
- Wijesinghe, S. . Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence. , (2012).
- Wallace, J., Foss, J. The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows. Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).
- Su, L., Dahm, W. Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors. Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).
- Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow. J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).
- Frish, M., Webb, W. Direct measurement of vorticity by optical probe. J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).
- Zimmerman, R., et al. Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906 (2011).
- Zimmerman, R., et al. Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow. Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501 (2011).
- Klein, S., Gibert, M. a. t. h. i. e. u., Bérut, A., Bodenschatz, E. Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow. Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).
- Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles. J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).
