Mesure simultanée de la Turbulence et de la cinématique de particules qui utilise les Techniques d’imagerie de flux
Summary
La technique décrite dans la présente offre une méthode relativement simple et faible coût pour mesurer simultanément la cinématique de la particule et la turbulence des flux avec des concentrations de particules de faible. La turbulence est mesurée à l’aide de la vélocimétrie par image de particules (PIV), et la cinématique de particules sont calculés à partir des images obtenues avec une caméra à grande vitesse dans un champ de vision qui se chevauchent.
Abstract
Nombreux problèmes dans les domaines scientifiques et techniques impliquent comprendre la cinématique des particules dans les écoulements turbulents, comme contaminants, micro-organismes marins et/ou les sédiments dans l’océan, ou les réacteurs à lit fluidisé et les procédés de combustion dans ingénierie des systèmes. Afin d’étudier l’effet de la turbulence sur la cinématique des particules dans ces flux, la mesure simultanée de la cinématique de l’écoulement et la particule est nécessaire. Il existe des techniques de mesure de débit non intrusive, optiques pour mesurer la turbulence, ou pour le suivi des particules, mais toutes deux mesurant simultanément peut s’avérer difficile en raison de l’interférence entre les techniques. La méthode présentée ici fournit une méthode relativement simple et abordable pour faire une mesure simultanée de la cinématique de flux et de particules. Une coupe transversale de l’écoulement est mesurée par une technique particule image velocimetry (PIV) qui fournit les deux composantes de la vitesse dans le plan de mesure. Cette technique utilise un laser pulsé pour éclairer le champ d’écoulement ensemencée qui est photographié par un appareil photo numérique. La cinématique de la particule sont projetés simultanément à l’aide d’un feu émettant une lumière de ligne de diode électroluminescente (DEL) qui illumine une section transversale plane du débit qui chevauche la PIV champ de vision (FOV). La lumière de la ligne est d’une puissance assez basses qu’elle n’affecte pas les mesures PIV, mais assez puissant pour éclairer les plus grosses particules d’intérêt imagés à l’aide de la caméra à grande vitesse. Des images à grande vitesse qui contiennent des impulsions laser de la technique du PIV sont facilement filtrés en examinant le niveau d’intensité cumulée de chaque image à grande vitesse. En faisant de la fréquence d’images de la caméra à grande vitesse sans commune mesure avec celle de la fréquence d’images de caméra PIV, le nombre d’images contaminés dans les séries chronologiques à grande vitesse peut être minimisé. La technique est conçue pour des débits moyens qui sont principalement de deux dimensions, contiennent des particules qui sont au moins 5 fois le diamètre moyen de la PIV ensemencement à traceurs et contiennent peu de concentration.
Introduction
Il existe un grand nombre d’applications dans les domaines scientifiques et techniques qui concernent le comportement des particules dans les écoulements turbulents, par exemple, les aérosols dans l’atmosphère, des contaminants et des sédiments dans les systèmes et marine les micro-organismes ou les sédiments dans l’océan1,2,3. Dans de telles applications, il est souvent intéressant de comprendre comment les particules répondent aux turbulences, qui exige la mesure simultanée de la cinématique des particules et la dynamique des fluides.
Les technologies existantes pour mesurer les mouvements des particules, appelés suivi de particules (PT), qui suit les trajectoires de particules individuelles et la technique statistique de particle image velocimetry4,5 (PIV), utilisé pour mesurer le flux vitesses, tous deux intègrent des techniques optiques non intrusives. Le principal défi dans l’utilisation de ces techniques optiques non intrusives pour mesurer le débit et la particule cinématique simultanément est l’éclairage séparé requis pour chaque technique d’imagerie qui ne peut pas interférer avec l’autre mesure précision ( par exemple, la source d’illumination pour mesurer la cinématique de la particule ne peut agir comme une source de bruit important dans la mesure de la vitesse du fluide et vice versa). Le contraste de l’image dans les deux ensembles d’images doit être suffisante pour obtenir des résultats fiables. Par exemple, les images de PT sont convertis aux images en noir et blanc afin d’effectuer une analyse de blob afin de déterminer les positions des particules ; ainsi, le contraste insuffisant conduit à des erreurs dans la position de la particule. Faible contraste en PIV images s’élève à un faible ratio signal-bruit qui provoqueront des inexactitudes dans l’estimation des vitesses fluides.
Ici, une méthode relativement simple et faible coût de mesurer simultanément les deux vitesses de cinématique et flux de particules est décrite. Grâce à l’utilisation d’une lumière monochromatique haute puissance émettant ligne de diode (LED) lumière, où la ligne se réfère à l’ouverture lumineuse et la double tête laser de haute intensité, les deux particules d’intérêt et le champ d’écoulement sont imagés simultanément dans la même région. La puissance élevée de la LED est suffisante pour l’imagerie de particules (chenilles) par la caméra à grande vitesse mais n’influe pas sur les images PIV parce que l’intensité de la lumière diffusée par des traceurs PIV est trop faible. Quand le double tête haute intensité laser illumine le champ d’écoulement pour les images PIV, il se produit sur un intervalle de temps court et ces images sont facilement identifiés et supprimés des séries chronologiques obtenues par la caméra PT à grande vitesse lorsqu’ils sont enregistrés. PIV laser à impulsions enregistrées dans le temps d’image haute vitesse (utilisé pour le suivi de particules) série peut être minimisé en n’exécutant ne pas les deux systèmes à cadences d’acquisition qui soient comparables entre eux. Dans les configurations plus avancées, on peut déclencher l’extérieurement les caméras PT et PIV avec un retard qui garantirait que cela n’arrive pas. Enfin, par un examen attentif de la quantité de particules suivies au sein de la PIV champ de vision (FOV), le toutes les erreurs introduites par ces particules suivies dans l’analyse de corrélation d’images PIV sont déjà pris en compte par l’estimation de l’erreur globale, y compris des erreurs associées à granulométrie non uniforme des traceurs PIV dans la fenêtre de l’interrogatoire. La grande majorité de la PIV ensemencement à traceurs suivent le flux, ce qui donne des estimations de vitesse de débit précis. Ces techniques permettent la mesure directe simultanée de ces deux particules cinématique flux matière et dans un plan à deux dimensions.
Cette technique est démontrée par son application afin de déterminer les particules régler les caractéristiques dans un écoulement turbulent, similaire à celle utilisée dans les études par Yang et timide6 et Jacobs et al. 7. régler les particules est l’ultime étape de transport des sédiments, qui consiste généralement en suspension de sédiments, transport et sédimentation. Dans la plupart des études antérieures qui ont abordé la particule s’installant dans les écoulements turbulents, soit des trajectoires de particules ou de vitesses turbulentes ne mesurent pas directement, mais déduit théoriquement ou modélisé8,9,10. Détails sur les interactions entre les particules et les turbulences ont plus souvent été étudiées à l’aide de modèles théoriques et numériques en raison des limitations expérimentales en mesurant tous les deux en même temps6,11. Nous présentons une étude de cas d’interaction particules-turbulences dans une installation de grille oscillante, où l’on étudie la vitesse de sédimentation des particules et leur couplage avec la turbulence. Pour plus de clarté, nous désignerons ci-après aux particules incriminés comme « particules » et l’ensemencement utilisés pour la technique PIV comme « traceurs » ; en outre, nous ferons référence à l’appareil utilisé pour l’imagerie à grande vitesse des trajectoires de particules comme le « suivi des particules », « PT » ou « haute vitesse » caméra, qui mesure « images à grande vitesse » et l’appareil photo utilisé pour la méthode PIV la « caméra PIV », qui mesure « images ». La méthode décrite ici permet la mesure simultanée de la cinématique des particules et la dynamique des fluides sur un champ prédéfini d’intérêt au sein de l’établissement. Les données obtenues fournissent une description à deux dimensions de l’interaction de la particule-turbulence.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode décrite ici est relativement peu coûteuse et fournit un moyen simple de mesurer simultanément les trajectoires de particules et de turbulence afin d’examiner l’influence du débit sur la cinématique de la particule. Il convient de mentionner que des flux ou des mouvements de particules qui sont fortement en trois dimensions ne sont pas bien adaptés à cette technique. Le mouvement hors-plan se traduira par des erreurs de17 en la 2D de suivi et l’analyse de la PIV et devrait …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Parties de ce document ont été pris en charge par la Fondation II-VI et le Coastal Carolina professionnel Enhancement Grant. Nous aimerions également remercier Corrine Jacobs, Marek Jendrassak et William Merchant pour aident avec le montage expérimental.
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. |
Referências
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