מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

Summary

בטכניקה המתוארת במסמך זה מציע שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית קינמטיקה של חלקיקים, מערבולת, זורם עם ריכוז נמוך של חלקיקים. המערבולות נמדד באמצעות חלקיקים תמונה velocimetry (PIV), קינמטיקה של חלקיקים מחושבים מתוך תמונות שהושג עם מצלמה במהירות גבוהה ב- חופפים שדה-של-view.

Abstract

בעיות רבות בתחומים מדעיים והנדסיים לערב הבנה קינמטיקה של חלקיקים בתוך מערבולות זורם, כגון מזהמים, מיקרו-אורגניזמים ימיים, ו/או בחקר האוקיינוס, או מיטה fluidized כורים בתהליכי בעירה מערכות הנדסה. על מנת ללמוד את ההשפעה של מערבולת על קינמטיקה חלקיקים ב זורם כזה, מדידות סימולטני של קינמטיקה זרימה וגם חלקיקים נדרשים. זרימה לא פולשני, אופטי טכניקות מדידה למדידת זרימה טורבולנטית, או למעקב אחר חלקיקים, אך מדידת שניהם בו זמנית יכול להיות מאתגר עקב הפרעה בין הטכניקות. השיטה המובאת במסמך זה מספק שיטה זולה ופשוטה יחסית כדי לבצע מדידות סימולטני של קינמטיקה זרימה, של חלקיקים. חתך רוחב של הזרם נמדד באמצעות טכניקה velocimetry (PIV) התמונה חלקיקים, אשר מספק שני רכיבים של מהירות במישור מדידה. טכניקה זו מנצל פעמו לייזר עבור תאורה של שדה הזרימה הזריעה היא תמונה על-ידי מצלמה דיגיטלית. קינמטיקה חלקיקים הם בו זמנית עם תמונה באמצעות אור פליטת נורית led קו אור המאיר חתך מישורי של הזרם זה חופף PIV השדה-of-view (FOV). האור הקו הוא של צריכת חשמל נמוכה מספיק, כי זה אינו משפיע על המדידות PIV, אבל חזק מספיק כדי להאיר את חלקיקים גדולים יותר עניין עם תמונה באמצעות המצלמה במהירות גבוהה. במהירות גבוהה תמונות המכילות את פעימות לייזר של הטכניקה PIV מסוננים בקלות על-ידי בדיקת רמת העוצמה מסוכם של כל תמונה במהירות גבוהה. בכך את קצב המסגרות של המצלמה במהירות גבוהה incommensurate עם זו של קצב המסגרות של המצלמה PIV, מספר המסגרות מזוהמים בסדרה זמן מהיר יכול להיות ממוזער. הטכניקה מתאימה זורם אומר כי הם בעיקר דו מימדי, מכילים חלקיקים לפחות 5 פעמים הקוטר אכזרי של PIV זריעה המשדרים, והוא נמוך בריכוז.

Introduction

קיימים מספר רב של יישומים בתחומים מדעיים והנדסיים המערבות את אופן הפעולה של חלקיקים בתוך מערבולות זורם, לדוגמה, אירוסולים אווירה, מזהמים ו/או בחקר הנדסה מערכות ים מיקרו-אורגניזמים או משקעים של האוקיינוס^1,2,3. במקרים כאלה, לעתים קרובות עניין כדי להבין איך החלקיקים להגיב מערבולת, אשר מחייב מדידת סימולטני קינמטיקה של חלקיקים ולא את הדינמיקה של נוזלים.

טכנולוגיות קיימות כדי למדוד חלקיק תנועות, שנקרא חלקיקים מעקב (PT), אשר עוקב אחר חלקיקים בודדים, טכניקה סטטיסטית של חלקיקים תמונה velocimetry^4,5 (PIV), המשמש למדידת זרימה המהירויות, שניהם לשלב טכניקות אופטי פולשנית. האתגר העיקרי באמצעות טכניקות פולשנית אלה אופטי למדידת קינמטיקה זרימה וגם החלקיקים בו זמנית הוא ההארה נפרד הדרושים עבור כל טכניקת דימות יכולה להתערב מדידת דיוק (של האחר למשל, מקור תאורה למדידת קינמטיקה של חלקיקים לא יכול להתנהג כמקור משמעותי רעש מדידת מהירות נוזלים, ולהיפך). הניגוד בתמונה בין שני סטים של תמונות צריך להיות מספיק כדי להשיג תוצאות אמינות. לדוגמה, הדימויים PT מומרים לתמונות שחור-לבן על מנת לבצע ניתוח בועה כדי לקבוע עמדות חלקיקים; לכן, לא מספיק חדות מוביל שגיאות חלקיקים בעמדות. ניגודיות המסכן בכמויות תמונות PIV כדי יחס אות לרעש נמוך זה יגרום אי דיוקים אומדן בין המהירויות נוזלים.

. הנה, מתוארת שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית שתי המהירויות קינמטיקה ואת זרימת חלקיקים. באמצעות שימוש של אור מונוכרומטי ובעוצמת פולטות נורית led קו אור, איפה הקו מתייחס צמצם אור ולייזר בעוצמה גבוהה לחיבורי, שני חלקיקים של ריבית ואת השדה זרימת הם צילמו באותו אזור בו זמנית. הכוח גבוהה של ה-LED מספיקה ההדמיה של החלקיקים (מסומנים) על ידי המצלמה במהירות גבוהה אך לא משפיע על הדימויים PIV בגלל עוצמת האור המתפזרת המשדרים PIV הוא נמוך מדי. כאשר הלייזר בעצימות גבוהה לחיבורי מאירה השדה זרימה לתמונות PIV, היא מתרחשת על מרווח זמן קצר, תמונות אלה הם ולהסרה בקלות מתוך הסדרה זמן מתקבל על ידי המצלמה PT במהירות גבוהה בעת שהם רשומים. PIV לייזר פולסים הקליט בזמנו תמונה במהירות גבוהה (משמש עבור חלקיקים מעקב) סדרת ניתן למזער על ידי לא הפעלת את שתי המערכות במחירים רכישת מסגרת זה העולים בקנה אחד עם השני. ב setups מתקדמים יותר, יכולה להפעיל באופן חיצוני את המצלמות PT ו- PIV עם עיכוב זה יבטיח שזה לא קורה. בסופו של דבר, לפי שיקול דעת זהיר של כמות חלקיקי מסומנים בתוך PIV שדה הראייה (FOV), שגיאות שהוצגו על ידי החלקיקים מסומנים בניתוח המתאם של תמונות PIV כבר נלקחים בחשבון על ידי הערכת השגיאה הכללית, כולל שגיאות המשויכת עם התפלגות גודל לא אחידה של המשדרים PIV בתוך חלון החקירה. הרוב המכריע של PIV זריעה המשדרים עוקבים הזרם מניב הערכות מהירות זרימה מדויקים. טכניקות אלה מאפשרות מדידה ישירה בו זמנית את שני החלקיקים קינמטיקה וזרימה השדה מטוס דו מימדי.

טכניקה זו מומחש החלתו כדי לקבוע חלקיקים מתארגן מאפייני זרם מערבולות, הדומה לזו המשמשת במחקרים יאנג ואני ביישן⁶ . ג’ייקובס ואח ⁷. חלקיקים להתיישב הוא השלב הסופי בהעברה משקעים, המורכב בדרך כלל השעיה משקעים, תחבורה, להתיישב. מחקרים קודמים רוב יש לטפל בהן חלקיקים מתארגן מערבולות, או חלקיקים או המהירויות הסוערים לא נמדדים באופן ישיר אבל להסיק באופן תיאורטי או הוצג^8,9,10. פרטים על האינטראקציות בין חלקיקי, מערבולת לרוב נחקרו באמצעות מודלים תיאורטיים ומספרי בגלל מגבלות ניסיוני במדידת את שניהם בו זמנית^6,11. אנו מציגים חקר מקרה אינטראקציה של חלקיקים מערבולת מתקן רשת נדנוד, בו נלמד את מהירות שיקוע של חלקיקים שלהם צימוד עם מערבולות. למען הבהירות להלן נתייחס החלקיקים תחת חקירה ‘חלקיקים’, החלקיקים זריעה הטכניקה PIV משמש “המשדרים”; בנוסף, נתייחס המצלמה בשימוש עבור ההדמיה במהירות גבוהה של חלקיקים “חלקיקים מעקב”, “PT” או מצלמה “מהיר”, אשר מודד “מהיר” ותמונות המצלמה בשימוש עבור שיטת PIV “המצלמה PIV”, אשר מודד “תמונות”. השיטה המתוארת במסמך זה מאפשר את המדידה בו זמנית של חלקיקים קינמטיקה ודינמיקה נוזל מעל שדה מוגדר מראש של עניין בתוך המתקן. נתונים המתקבלים מספק תיאור דו-ממדית של האינטראקציה של חלקיקים מערבולת.

Protocol

הערה: כל אנשי הצוות בקיצור תוך שימוש בטוח ואת הפעולה של Class IV לייזרים באותה מידה כמו שימוש בטוח ותפעול של כלי יד, כח. 1. הגדרת ניסיוני PIV ההתקנה להגדיר את לייזר לחיבורי ואופטיקה. מקם את הלייזר בצלחת אופטי. רמה הלייזר ביחס לתחתית של המתקן (או לגבי הקרקע בעת…

Representative Results

שרטוט של ההתקנה ניסיוני מוצג באיור1. האיור מציג את הסידור של גליונות אור (LED ו לייזר), החפיפה את FOVs, ואת המיקום של FOVs ביחס רשת נדנוד וקירות טנק. מערבולת של חלקיקים נמדדים בו-זמנית כמתואר בסעיף פרוטוקול. איור 2 מציג דוגמה תוצאות המדידות של מהיר?…

Discussion

השיטה המתוארת במסמך זה זולה יחסית, והוא מספק דרך פשוטה למדוד בו זמנית חלקיקים ו מערבולת כדי לבחון את ההשפעה של זרימה על חלקיק קינמטיקה. ראוי להזכיר כי זורם או תנועות חלקיקים הן בתוקף תלת-אינם מתאים היטב בטכניקה זו. Out-של-plane. ההצעה יגרום לשגיאות¹⁷ דו-ממדי מעקב וניתוח PIV, צריך להיות…

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.