अशांति अनुप्रयोगों के लिए तीन आयामी कण ट्रैकिंग velocimetry: एक जेट प्रवाह के मामले
Summary
एक तीन आयामी कण ट्रैकिंग velocimetry (3 डी-पीटीवी) एक चार देखें फाड़नेवाला के साथ एक उच्च गति कैमरा प्रणाली के आधार पर यहाँ वर्णित है। तकनीक नीचे की ओर पुन ≈ 7,000 रेनॉल्ड्स संख्या में दस व्यास के आसपास के क्षेत्र में एक परिपत्र पाइप से एक जेट प्रवाह करने के लिए लागू किया जाता है।
Abstract
3 डी-पीटीवी एक मात्रात्मक प्रवाह माप तकनीक है कि छवि दृश्यों के त्रिविम रिकॉर्डिंग का उपयोग तीन आयामों में कणों का एक सेट की लाग्रंगियन रास्तों पर नज़र रखने के लिए करना है। बुनियादी घटकों, सुविधाओं, बाधाओं और एक 3 डी-पीटीवी एक चार देखें फाड़नेवाला के साथ एक उच्च गति कैमरा से मिलकर टोपोलॉजी के अनुकूलन सुझाव वर्णित और इस लेख में चर्चा कर रहे हैं। तकनीक पुन ≈ 7000 में एक परिपत्र जेट के मध्यवर्ती प्रवाह क्षेत्र (5 <एक्स / डी <25) को लागू किया जाता है। लाग्रंगियन प्रवाह सुविधाओं और एक Eulerian फ्रेम में अशांति मात्रा दस व्यास जेट मूल के बहाव के आसपास और जेट कोर से विभिन्न रेडियल दूरी का अनुमान है। लाग्रंगियन गुण प्रक्षेपवक्र, वेग और चयनित कणों की गति के साथ-साथ प्रवाह पथ, जो Frenet-Serret समीकरण से प्राप्त कर रहे हैं की वक्रता शामिल हैं। एक पार विमान दस पर स्थित जेट कोर धुरी के चारों ओर 3 डी वेग और अशांति क्षेत्रों का आकलनजेट के बहाव व्यास साहित्य के साथ तुलना की जाती है, और बड़े पैमाने पर streamwise वेग गतियों की शक्ति स्पेक्ट्रम जेट कोर से विभिन्न रेडियल दूरी पर प्राप्त की है।
Introduction
अशांत जेट प्रवाह इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में सर्वव्यापी हैं। इस तरह के प्रवाह की विस्तृत लक्षण वर्णन व्यावहारिक समस्याओं को बड़े पैमाने पर पर्यावरण निर्वहन सिस्टम से इलेक्ट्रॉनिक सूक्ष्म पैमाने पर उपकरणों के लिए फैले की एक व्यापक स्पेक्ट्रम में महत्वपूर्ण है। 4 – व्यापक अनुप्रयोगों के एक नंबर पर इसके प्रभाव की वजह से, जेट प्रवाह गहराई 1 में अध्ययन किया गया है। कई प्रयोगात्मक तकनीक, Hotwire anemometry सहित 4 – 8, लेजर डॉपलर velocimetry (LDV) 4, 9 – 12, और कण छवि velocimetry (PIV) 12 – 16, जेट रेनॉल्ड्स संख्या और सीमा की एक विस्तृत श्रृंखला में बहती चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है शर्तेँ। हाल ही में, कुछ अध्ययनों अशांत / गैर-अशांत इंटरफेस का अध्ययन करने के लिए जेट 17 बहती है, 18 3 डी-पीटीवी का उपयोग किया गया है। 3 डी-पीटीवी विशेष रूप से जटिल अशांत फाई वर्णन करने के लिए उपयुक्त एक तकनीक हैएक अलग नजरिए से elds। यह बहु दृश्य का उपयोग कर stereoscopy संदर्भ का एक Lagrangian फ्रेम में एक मात्रा के भीतर कण प्रक्षेप पथ के पुनर्निर्माण के लिए अनुमति देता है। तकनीक पहले चांग 19 से पेश किया गया था और आगे Racca और डेवी 20 से विकसित की है। 24 – तब से, कई सुधार 3 डी-पीटीवी एल्गोरिथ्म और प्रयोगात्मक स्थापना 21 पर बनाया गया है। इन उपलब्धियों और पिछले कार्यों के साथ, सिस्टम सफलतापूर्वक 4 एमएक्स 2 एमएक्स 2 मीटर 25, इनडोर airflow क्षेत्र 26 की एक डोमेन बड़े पैमाने पर द्रव गति के रूप में विभिन्न तरल पदार्थ घटनाओं का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, गुणवाला बहती 27 और महाधमनी रक्त का प्रवाह 28 ।
एक 3 डी-पीटीवी माप का काम सिद्धांत डाटा अधिग्रहण प्रणाली सेट-अप, रिकॉर्डिंग / पूर्व प्रसंस्करण, कैलिब्रेशन, 3 डी पत्राचार, लौकिक पर नज़र रखने और बाद के प्रसंस्करण के होते हैं। एक सटीक अंशांकन कण स्थिति का एक सटीक पता लगाने के लिए अनुमति देता हैएस। कणों तीन से अधिक छवि विचारों में पता चला के पत्राचार एक 3 डी कण epipolar ज्यामिति के आधार पर स्थिति के पुनर्निर्माण के लिए अनुमति देता है। लगातार छवि फ्रेम से एक कड़ी के लिए एक अस्थायी ट्रैकिंग परिभाषित करता है कि कण trajectories एस (टी) में परिणाम। 3 डी-पीटीवी प्रणाली के अनुकूलन बहु-कण पता लगाने की क्षमता की संभावना को अधिकतम करने के लिए आवश्यक है।
अनुकूलन के पहले कदम के उच्च गति कैमरों, रोशनी स्रोत और बोने के कणों की सुविधाओं सहित एक उचित डाटा अधिग्रहण प्रणाली हासिल करने के लिए है। पूछताछ के वॉल्यूम के आकार के साथ-साथ कैमरा संकल्प पिक्सेल आकार को परिभाषित करता है और इसलिए, आवश्यक बोने कण आकार, जो एक एकल पिक्सेल से बड़ा होना चाहिए। पता लगाया कणों की centroids चमक 21 के आधार पर भारित कण पिक्सल के औसत स्थान लेने के द्वारा उप पिक्सेल सटीकता के साथ होने का अनुमान है। कैमरे के फ्रेम दर बारीकी associat हैरेनॉल्ड्स नंबर और पता लगाया कणों लिंक करने की क्षमता के साथ एड। एक उच्च फ्रेम दर तेजी से बहती है या कणों की एक बड़ी संख्या को हल करने के लिए जब छवियों के बीच मतलब विस्थापन कणों का मतलब जुदाई से अधिक के बाद से ट्रैकिंग अधिक मुश्किल हो जाता है के लिए अनुमति देता है।
शटर गति, एपर्चर और संवेदनशीलता तीन कारकों छवि पर कब्जा करने में विचार कर रहे हैं। शटर की गति तेज करने के लिए पर्याप्त होना चाहिए एक कण है, जो कण केन्द्रक स्थिति की अनिश्चितता को कम कर देता चारों ओर दिखाई देना, कम से कम। कैमरा एपर्चर पूछताछ की मात्रा के क्षेत्र की गहराई को समायोजित किया जाना चाहिए मात्रा के बाहर कणों का पता लगाने की संभावना को कम करने के लिए। चूंकि एक कैमरे के अधिकतम संवेदनशीलता तय हो गई है, फ्रेम दर बढ़ जाती है, आवश्यक प्रकाश कणों रोशन करने के लिए तदनुसार वृद्धि करनी चाहिए की आवश्यकता है। PIV के विपरीत, जटिल सेटिंग्स ऑप्टिक और उच्च शक्ति लेजर सख्ती से 3 डी में पीटीवी की आवश्यकता नहीं है, के रूप में लंबे समय तक प्रकाश स्रोत के रूप में पर्याप्त रूप से गोबर हैकैमरे के लिए दरियाफ्त कणों से tered। सतत एलईडी या हलोजन रोशनी अच्छा लागत प्रभावी विकल्प है कि तुल्यकालन 21 की जरूरत को बायपास कर रहे हैं।
3 डी-पीटीवी में, अन्य ऑप्टिकल प्रवाह माप तकनीकों की तरह, ट्रेसर कण वेग स्थानीय तात्कालिक द्रव वेग 29 माना जाता है। बहरहाल, यह केवल अशक्त व्यास और जड़ता का आदर्श ट्रेसर के लिए मामला है; दरियाफ्त कणों इतना बड़ा एक कैमरे द्वारा कब्जा किया जा होना चाहिए। एक परिमित कण की निष्ठा स्टोक्स संख्या एस टी द्वारा निर्धारित किया जा सकता है, कणों के विश्राम का समय के पैमाने के अनुपात और ब्याज के अशांत संरचनाओं के समय के पैमाने अर्थात्। सामान्य तौर पर, एस टी एस टी के लिए 1 से काफी छोटा होना चाहिए ≤0.1 1% 30 के नीचे प्रवाह ट्रैकिंग त्रुटियाँ हैं। में गहराई से चर्चा मेई एट अल में पाया जा सकता है 29 -। 31 </sup>। एक 3 डी-पीटीवी प्रयोग के लिए अनुशंसित कण आकार प्रकाश स्रोत और कैमरा संवेदनशीलता पर निर्भर करता है। हैलोजन या रोशनी स्रोत के रूप में एलईडी रोशनी के साथ, अपेक्षाकृत बड़े कणों उपयोग किया जाता है (उदाहरण के लिए 50-200 माइक्रोन) 32, जबकि छोटे कणों (जैसे 1-50 माइक्रोन), 33, 34 के लिए एक उच्च शक्ति लेजर के साथ प्रयोग किया जा सकता है (उदाहरण के लिए 80-100 वाट सीडब्ल्यू लेजर)। एक दिया तरंगदैर्ध्य के प्रकाश के लिए उच्च भावना के साथ कण, चांदी हैलोजन के प्रकाश के तहत लेपित की तरह, एक छवि में अपनी छाप बढ़ाना कर सकते हैं। बोने घनत्व एक सफल 3 डी-पीटीवी माप के लिए एक और महत्वपूर्ण पैरामीटर है। कुछ कणों, प्रक्षेप पथ की कम संख्या में परिणाम कणों की अत्यधिक संख्या पत्राचार की स्थापना और ट्रैकिंग में अस्पष्टता का कारण है। पत्राचार स्थापित करने में अस्पष्टता ओवरलैपिंग कणों और परिभाषित epipolar रेखा के साथ कई उम्मीदवारों का पता लगाने में शामिल हैं। ट्रैकिंग प्रक्रिया में, एक उच्च seedin के कारण अस्पष्टता जी घनत्व कणों की अपेक्षाकृत कम मतलब जुदाई की वजह से हुई है।
दूसरा कदम छवि गुणवत्ता को बढ़ाने के लिए रिकॉर्डिंग / पूर्व प्रसंस्करण में इष्टतम सेटिंग्स है। इस तरह के लाभ और काले स्तर (जी एंड बी) के रूप में फोटो सेटिंग्स, छवि गुणवत्ता का अनुकूलन करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। जबकि लाभ एक छवि की चमक को बढ़ाता है काला स्तर, एक छवि के अंधेरे हिस्से में चमक स्तर को परिभाषित करता है। जी एंड बी स्तर की मामूली बदलाव काफी पता लगाने की क्षमता की संभावना को प्रभावित कर सकता। वास्तव में, उच्च जी एंड बी एक छवि पर-रोशन कर सकते हैं और अंत में कैमरा संवेदक को नुकसान पहुंचा। इस उदाहरण देकर स्पष्ट करने के लिए, प्रवाह पुनर्निर्माण पर जी एंड बी स्तरों के प्रभाव को भी इस लेख में जांच की है। पूर्व प्रसंस्करण चरण में, छवियों कणों से प्रकाश तितर बितर पर जोर देना एक उच्च पास फिल्टर के साथ छान रहे हैं। पिक्सेल आकार और ग्रे स्केल पूछताछ मात्रा के भीतर कण का पता लगाने को अधिकतम करने के लिए समायोजित कर रहे हैं।
टी "> अनुकूलन के तीसरे कदम त्रिविम इमेजिंग, जो epipolar ज्यामिति, कैमरा मानकों (फोकल लंबाई, सिद्धांत बिंदु, और विरूपण गुणांक), और अपवर्तनांक परिवर्तन के आधार पर किया जाता है की सटीक अंशांकन है। इस प्रक्रिया को कम से कम 3 डी के लिए आवश्यक है विश्वस्त लक्ष्य अंक के पुनर्निर्माण में त्रुटि। epipolar ज्यामिति लक्ष्य छवि से झुका और कोण (कैमरा और पूछताछ की मात्रा के बीच) के सापेक्ष दूरी उपयोग करता है। पूछताछ मात्रा के माध्यम से कैमरे को देखने के साथ अपवर्तनांक परिवर्तन मास की प्रक्रिया के आधार पर खाते में लिया जा सकता है एट अल। 21। इस प्रयोग में, नियमित रूप से वितरित लक्ष्य अंक के साथ एक 3 डी सीढ़ी की तरह संरचना एक लक्ष्य के रूप में प्रयोग किया जाता है।एक 3 डी-पीटीवी प्रयोग में, हालांकि केवल दो छवियों के एक 3 डी कण स्थिति निर्धारित करने की जरूरत है, आम तौर पर अधिक कैमरों अस्पष्टता 21 कम करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। कई उच्च गति कैमरों के साथ महंगा setups के लिए एक वैकल्पिक छठी हैईडब्ल्यू फाड़नेवाला, होयर एट अल द्वारा प्रस्तावित। 35 3 डी-पीटीवी के उपयोग के लिए और हाल ही में जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए Gulean एट अल। 28 से लागू होता है। देखें फाड़नेवाला एक पिरामिड के आकार का दर्पण (hereon प्राथमिक दर्पण) और चार समायोज्य दर्पण (माध्यमिक दर्पण hereon) के होते हैं। इस काम में, एक चार देखें फाड़नेवाला और एक कैमरा चार कैमरों से त्रिविम इमेजिंग नकल करने के लिए इस्तेमाल किया गया। प्रणाली एक व्यास, डी एच = 1 सेमी और पुन ≈ 7000 एक Lagrangian से एक पाइप के साथ जेट के मध्यवर्ती प्रवाह क्षेत्र को चिह्नित करने के लिए प्रयोग किया जाता है और Eulerian जेट मूल से नीचे की ओर चारों ओर 14.5-18.5 व्यास में फ्रेम।
Protocol
Representative Results
Discussion
3 डी-पीटीवी महान क्षमता में कई अन्य लोगों के अलावा महाधमनी टोपोलॉजी 28 में इस तरह के निचले वायुमंडल 25, घर के अंदर वायु वितरण 26, या गुणवाला प्रवाह में बड़े पैमाने पर अशांत गतियों के रूप में अशा…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम लियोनार्डो पी कमोरो का शुरू हुआ पैकेज के हिस्से के रूप में यांत्रिक विज्ञान और इंजीनियरिंग, इलिनोइस विश्वविद्यालय Champaign-Urbana, विभाग द्वारा समर्थित किया गया।
Materials
| ImageOps | CAMMC4082 | High-speed camera |
| ImageOps | FBD-4XCXP6 | Frame Grabber |
| Potters Industries LLC | AG-SL150-30-TRD | Seeding Paritcles |
| Upstate Technical Equipment CO.,INC | MISNOR-STP-6-S-CL | Camera appliation |
| Photrack AG | Customized part and necessary if performing 3D-PTV with one camera | |
| General Electrics | 23719 | Light source |
| OpenPTV(http://www.openptv.net) | Open source particle tracking software (Note: available as a service for anyone who wants to use it without all the installation mess or computer power availability problems). |
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