Samtidig mätning av turbulens och partikel kinematik använder Flow Imaging tekniker

Summary

Den teknik som beskrivs häri erbjuder en låg kostnad och relativt enkel metod för att samtidigt mäta partikel kinematik och turbulens i flöden med låga partikel koncentrationer. Turbulensen mäts med particle image velocimetry (PIV) och partikel kinematik beräknas från bilder tagna med en höghastighetskamera i en överlappande field-of-view.

Abstract

Många problem i vetenskapliga och tekniska områden innebära förståelse partiklar i turbulenta flöden, såsom föroreningar, marina mikroorganismer eller sediment i havet, eller fluidiserad bädd reaktorer och förbränningsprocesser i kinematik specialkonstruerade system. För att studera effekten av turbulens på kinematik av partiklar i sådana flöden, krävs samtidiga mätningar av både flöde och partikel kinematik. Icke-påträngande, optiska flöde mätmetoder för att mäta turbulens, eller för att spåra partiklar, finns men mäta båda samtidigt kan vara utmanande på grund av interferens mellan teknikerna. Metoden presenteras häri ger en låg kostnad och relativt enkel metod för att göra samtidiga mätningar av flöde och partikel kinematik. Ett tvärsnitt av flödet mäts med en partikel image velocimetry (PIV) teknik, som ger två komponenter av hastighet i mätning planet. Denna teknik använder en pulsad laser för belysning av fältet seedade flöde som är fotograferad av en digital kamera. Partikel kinematik är samtidigt avbildas med hjälp av en ljusavgivande diod (LED) linje ljus som belyser ett plana tvärsnitt av flödet som överlappar den PIV field-of-view (FOV). Line ljuset är tillräckligt låg makt att det inte påverkar PIV mätningarna, men tillräckligt kraftfull för att belysa de största partiklarna av intresse avbildas med hjälp av höghastighets kamera. Snabba bilder som innehåller laser pulserna från PIV tekniken filtreras enkelt genom att undersöka den summerade intensitetsnivån i varje höghastighetståg bild. Genom att göra bildhastigheten för höghastighetskamera merarbete med bildfrekvensen PIV kamera, kan antalet förorenade ramar i höghastighetståg tidsserien minimeras. Tekniken är lämplig för genomsnittlig flöden som är huvudsakligen tvådimensionell, innehåller partiklar som är minst 5 gånger den PIV sådd spårämnen genomsnittlig diameter och låg koncentration.

Introduction

Det finns ett stort antal tillämpningar inom både vetenskapliga och tekniska områden som involverar uppförandet av partiklar i turbulenta flöden, till exempel, aerosoler i atmosfären, föroreningar eller sediment i specialkonstruerade system och marine mikroorganismer eller sediment i ocean^1,2,3. I sådana program är det ofta av intresse att förstå hur partiklarna bemöta turbulens, vilket kräver samtidig mätning av partikel kinematiken och fluiddynamik.

Befintlig teknik att mäta partikel rörelser, kallas particle tracking (PT), som spårar enskild partikel banor, och den statistiska tekniken particle image velocimetry^4,5 (PIV), används för att mäta flöde hastigheter, både införliva icke-störande optiska tekniker. Den största utmaningen i att använda dessa icke-störande optiska tekniker för att mäta både flöde och partikel kinematik samtidigt är separat belysning krävs för varje bildteknik som inte kan störa varandras mätning noggrannhet) t.ex. belysning källa för att mäta partikel kinematik inte fungera som en betydande bullerkälla i vätska hastighet mätning och vice versa). Avbildakontrasten i båda uppsättningar av bilder måste vara tillräcklig för att få tillförlitliga resultat. Till exempel konverteras PT bilderna till svartvita bilder för att utföra en blob-analys för att avgöra partikel positioner; Således, otillräcklig kontrast leder till fel i partikel position. Dålig kontrast i PIV bilder uppgår till en låg signal-brus-förhållande som kommer att orsaka felaktigheter vid uppskattning av flytande hastigheterna.

Här beskrivs en relativt låg kostnad och enkel metod för att samtidigt mäta både partikel kinematik och flöde hastigheter. Genom användning av en högeffekts monokromatiska ljusavgivande diod (LED) linje ljus, där refererar raden till ljusöppningen och dual head hög intensitet laser, är båda partiklarna av intresse och fältet flöde avbildade i samma region samtidigt. Den high power LED är tillräcklig för bildtagning av (spårade) partiklar av höghastighetståg kameran men påverkar inte PIV bilderna eftersom ljusintensiteten utspridda från PIV spårämnen är för låg. När dual head hög intensitet laser lyser upp fältet flöde för PIV bilderna, det sker över ett kort tidsintervall och dessa bilder är lätt identifieras och tas bort från den tidsserie som erhållits av höghastighetståg PT kameran när de registreras. PIV laser pulser registrerats i hög-fart bild (används för partikel spårning) tiden serien kan minimeras genom att inte köra de två systemen vid förvärvet bildhastigheter som står i proportion till varandra. I mer avancerade uppställningar utlösa en externt PT och PIV kameror med en fördröjning som skulle säkerställa att detta inte sker. Slutligen av noggrant övervägande av mängden partiklar som spåras inom PIV synfältet (FOV), beaktas eventuella fel som införs genom dessa spårade partiklar i korrelation analysen av PIV bilder redan av den övergripande fel uppskattningen, inklusive fel i samband med icke-enhetlig storlek distribution av PIV spårämnen i fönstret för förhör. Majoriteten av de PIV sådd spårämnen följer flödet, vilket ger korrekt flöde hastighet uppskattningar. Dessa tekniker möjliggör samtidiga direkt mätning av både partikel kinematik och flöde fältet i ett tvådimensionellt plan.

Denna teknik demonstreras genom att tillämpa den för att avgöra partikel lösa egenskaper i en turbulent flöde, liknande den som används i studier av Yang och blyg⁶ och Jacobs et al. ⁷. partikel lösa är den sista etappen i sedimenttransport, som består i allmänhet av sediment suspension, transport och lösa. I de flesta tidigare studier som har adresserat partikel som bosätter sig i turbulenta flöden, antingen partikel banor eller turbulenta hastigheter mäts inte direkt men sluta sig teoretiskt eller modelleras^8,9,10. Detaljer om samspelet mellan partiklar och turbulens har oftast undersökts med hjälp av teoretiska och numeriska modeller på grund av de experimentella begränsningarna i mäta båda samtidigt^6,11. Vi presenterar en partikel-turbulens interaktion fallstudie i en oscillerande rutnät anläggning, där vi studerar den lösa hastigheten av partiklar och deras koppling med turbulens. För tydlighetens skull hänvisar hädanefter vi till partiklar under undersökningen som ”partiklar” och sådd partiklarna används för PIV tekniken som ”spårämnen”. Dessutom kommer vi att hänvisa till den kamera som används för den av höghastighetsfilmning av partikel trajectoriesen som ”partikel tracking”, ”PT” eller ”high-speed” kamera, som mäter ”snabba bilder” och den kamera som används för metoden PIV ”PIV kameran”, som mäter ”bilder”. Den metod som beskrivs häri möjliggör samtidig mätning av partiklar kinematik och fluiddynamik över ett fördefinierat fält av intresse inom anläggningen. De erhållna uppgifterna ger en tvådimensionell beskrivning av partikel-turbulens interaktionen.

Protocol

Obs: All personal bör utbildas i säker användning och drift av klass IV lasrar samt liksom säker användning och drift av hand och power tools. 1. experimentella Set-up PIV setup Ställ in dual head laser och optik. Placera lasern på en optisk tallrik. Nivå laser med avseende på botten av anläggningen (eller med avseende på marken om man vill ha vertikala hastigheter i linje med gravitationsacceleration) och justera lodrätt laserstrålen me…

Representative Results

En Schematisk bild av den experimentella setup visas i figur 1. Figuren visar ordningen av ljus ark (LED och laser), överlappningen i FOVs och placera av FOVs i förhållande till den oscillerande rutnät och tank väggar. Den turbulens och partiklar mäts samtidigt som beskrivs i avsnittet protokoll. Figur 2 visar exempel på resultat av mätningar av momentan hastighet och vorticity tillsammans med provet partikel banor. Resul…

Discussion

Den metod som beskrivs häri är relativt billig och ger ett enkelt sätt att samtidigt mäta partikel banor och turbulens för att undersöka påverkan av flödet på partikel kinematik. Det är anmärkningsvärt att nämna att flöden eller partikel rörelser som är starkt tredimensionella inte är väl lämpade för denna teknik. Den ute-av-plan rörelsen kommer att resultera i fel¹⁷ i både 2D tracking och PIV analys och bör minimeras. Metoden kräver dessutom koncentrationen av spårade par…

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.