Medição simultânea de turbulência e cinemática das partículas usando o fluxo de imagens técnicas

Summary

A técnica descrita neste documento oferece um método de baixo custo e relativamente simples para medir simultaneamente a cinemática da partícula e a turbulência dos fluxos com concentrações de partículas de baixa. A turbulência é medida usando Velocimetria por imagem (PIV) e cinemática da partícula são calculados a partir de imagens obtidas com uma câmera de alta velocidade em um campo de visão sobreposto.

Abstract

Inúmeros problemas em campos científicos e de engenharia envolvem compreensão da cinemática das partículas em escoamentos turbulentos, como contaminantes, micro-organismos marinhos, e/ou sedimentos no oceano, ou reatores de leito fluidizado e processos de combustão em sistemas projetados. Para estudar o efeito da turbulência sobre a cinemática das partículas em tais fluxos, medições simultâneas de cinemática o fluxo e a partícula são necessárias. Existem técnicas de medição de fluxo não-intrusivo, óptico para medição de turbulência, ou para acompanhamento de partículas, mas ambos simultaneamente de medição pode ser desafiador devido à interferência entre as técnicas. O método apresentado neste documento fornece um método de baixo custo e relativamente simples para fazer medições simultâneas de cinemática o fluxo e a partícula. Uma seção transversal do fluxo é medida usando uma técnica de Velocimetria (PIV) partícula imagem, que fornece duas componentes de velocidade no plano de medição. Esta técnica utiliza um laser pulsado para a iluminação do campo semeado de fluxo que é fotografado por uma câmera digital. A cinemática da partícula são simultaneamente fotografada usando uma luz emitindo luz de diodo (LED) linha que ilumina uma seção transversal planar do fluxo que se sobrepõe com o PIV campo de visão (FOV). A luz de linha é de poder baixa o suficiente, que não afeta as medições de PIV, mas poderoso o suficiente para iluminar as partículas maiores de interesse fotografada usando a câmera de alta velocidade. Imagens de alta velocidade que contêm os pulsos de laser de técnica PIV são facilmente filtradas, examinando o nível de intensidade somados de cada imagem de alta velocidade. A taxa de quadros da câmera de alta velocidade, tornando desproporcionadas com que a taxa de quadros de câmera PIV, o número de contaminados quadros da série de tempo de alta velocidade pode ser minimizado. A técnica destina-se a média dos fluxos que são predominantemente bidimensionais, conter partículas que são pelo menos 5 vezes o diâmetro médio do PIV semeadura traçadores e baixa concentração.

Introduction

Existem um grande número de aplicações em campos científicos e de engenharia que envolvem o comportamento de partículas em escoamentos turbulentos, por exemplo, de aerossóis na atmosfera, contaminantes e/ou sedimentos em sistemas projetados e da Marinha micro-organismos ou sedimentos no oceano^1,2,3. Em tais aplicações, muitas vezes é de interesse de entender como as partículas respondem a turbulência, que exige medida simultânea da cinemática da partícula e a dinâmica dos fluidos.

Tecnologias existentes para medir os movimentos de partículas, chama....

Protocol

Nota: Todo o pessoal deve ser treinado no uso seguro e operação de lasers de classe IV, bem como no uso seguro e operação de ferramentas manuais e de poder.

1. Montagem experimental

1. Instalação do PIV
   1. Configure o dual-cabeça do laser e óptica.
      1. Coloque o laser sobre uma chapa óptica. Nível a laser com relação a parte inferior da instalação (ou em relação ao chão se se deseja ter velocidades verticais alinhadas com aceleração gravitacional) e verticalmente alinhar o feixe de laser com o centro do plano 2D para ser fotografada.
      2. Coloque a lente cilíndrica no caminho do feixe de laser por pr....

Results

Um esquema da instalação experimental é mostrado na Figura 1. A figura mostra o arranjo das folhas de luz (LED e laser), a sobreposição nos FOVs e a posição dos FOVs em relação a grade oscilante e paredes do tanque. A turbulência e as partículas são medidas simultaneamente, conforme descrito na seção de protocolo. A Figura 2 mostra os resultados do exemplo das medições de velocidade instantânea e vorticidade juntamente com as tra.......

Discussion

O método descrito neste documento é relativamente barato e fornece uma maneira simples de medir simultaneamente as trajetórias de partículas e turbulência para examinar a influência do fluxo na cinemática da partícula. É digno de nota para mencionar que os fluxos ou movimentos de partículas que são fortemente tridimensionais não são well-suited para esta técnica. O movimento fora-de-avião irá resultar em erros¹⁷ em 2D acompanhamento e a análise PIV e deve ser minimizado. Além disso, o método reque.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Lentes ópticas	CVI LASER OPTICS	Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV	Outras empresas ópticas são aceitáveis. Lentes esféricas e ciclíndricas para geração de folha de luz PIV.
Lente da câmera para PIV	Nikon	Nikkor 105mm f/2D	Outras empresas de lentes de câmera são aceitáveis. Lente da câmera para imagens PIV.
Lente da câmera para Nikon		Nikkor 50mm f/1.8D	Outras empresas de lentes de câmera são aceitáveis. Lente da câmera para imagens de alta velocidade.
Laser pulsado de cabeça dupla	Quantel	EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz	Outras empresas de laser são aceitáveis. Laser pulsado de cabeça dupla para PIV: Nd: YAG
Luz de linha LED	Gardasoft Vision, Ltd.	VLX2 LED Line Lighting - Verde - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04	Outras empresas são aceitáveis. Luz de linha para LED.
Partículas/traçadores de semeadura PIV	Esferas de vidro ocas esféricas da Potters Industries: diâmetro médio de 11 mm		Outras empresas são aceitáveis. Câmera de correlação cruzada CCD de partículas de semeadura PIV
	TSI, Inc.	POWERVIEW 11M: CCD, dupla exposição, 4008x2672 pixels @ 4,2 Hz com faixa dinâmica de 12 bits	Outras empresas são aceitáveis. Câmera CCD de dupla exposição para imagens PIV.
Câmera de alta velocidade	Photron	FASTCAM SA3; Modelo 60K: 1024x1024 pixels @ 1kHz	Outras empresas são aceitáveis. Câmera CMOS para imagens de alta velocidade.
Sincronizador	TSI, Inc.	SINCRONIZADOR DE PULSO LASER 610036	Outras empresas são aceitáveis. Sincronize a aquisição da câmera PIV e do laser.
Alvo de calibração	TSI, Inc.		Outras empresas são aceitáveis. Alvo de precisão para calibração de imagem.