प्रवाह इमेजिंग तकनीकों का उपयोग करते हुए अशांति और कण कीनेमेटिक्स का युगपत मापन
Summary
इस के साथ साथ वर्णित तकनीक एक कम लागत और अपेक्षाकृत सरल तरीका है एक साथ कण कीनेमेटीक्स और कम कण सांद्रता के साथ प्रवाह में अशांति को मापने के लिए प्रदान करता है । अशांति कण छवि velocimetry का उपयोग कर मापा जाता है (piv), और कण कीनेमेटीक्स एक अतिव्यापी क्षेत्र के दृश्य में एक उच्च गति कैमरे के साथ प्राप्त छवियों से गणना कर रहे हैं.
Abstract
वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग क्षेत्रों में कई समस्याओं जैसे contaminants, समुद्री सूक्ष्म जीवों, और/या समुद्र में तलछट, या द्रवित बिस्तर रिएक्टरों और दहन प्रक्रियाओं में अशांत प्रवाह में कणों की कीनेमेटीक्स को समझना शामिल इंजीनियर सिस्टम । ऐसे प्रवाहों में कणों के कीनेमेटिक्स पर अशांति के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, दोनों प्रवाह और कण कीनेमेटिक्स के एक साथ माप की आवश्यकता होती है । गैर दखल, अशांति को मापने के लिए ऑप्टिकल प्रवाह मापन तकनीकों, या ट्रैकिंग कणों के लिए, मौजूद हैं, लेकिन दोनों एक साथ मापने तकनीकों के बीच हस्तक्षेप के कारण चुनौतीपूर्ण हो सकता है. इस के साथ साथ प्रस्तुत विधि एक कम लागत और अपेक्षाकृत सरल विधि प्रवाह और कण कीनेमेटिक्स के एक साथ माप बनाने के लिए प्रदान करता है । प्रवाह का एक क्रॉस सेक्शन माप विमान में वेग के दो घटकों प्रदान करता है जो एक कण छवि velocimetry (piv) तकनीक, का उपयोग कर मापा जाता है. इस तकनीक का इस्तेमाल एक स्पंदित-वरीयता प्राप्त प्रवाह क्षेत्र है कि एक डिजिटल कैमरा द्वारा imaged है की रोशनी के लिए लेजर । कण कीनेमेटिक्स एक साथ एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) रेखा प्रकाश का उपयोग करके imaged हैं जो कि piv फ़ील्ड-व्यू (fov) के साथ ओवरलैप होने वाले प्रवाह के एक समतल क्रॉस सेक्शन को प्रकाशित करता है । लाइन प्रकाश कम पर्याप्त शक्ति का है कि यह piv मापन को प्रभावित नहीं करता है, लेकिन काफी शक्तिशाली ब्याज उच्च गति कैमरे का उपयोग imaged के बड़े कणों रोशन करने के लिए । piv तकनीक से लेजर दालों होते हैं कि उच्च गति छवियों को आसानी से प्रत्येक उच्च गति छवि के अभिव्यक्त किया तीव्रता के स्तर का परीक्षण करके फ़िल्टर कर रहे हैं. इस piv कैमरा फ्रेम दर की है कि साथ उच्च गति कैमरे के अनुरूप के फ्रेम दर बनाने से, उच्च गति समय श्रृंखला में दूषित फ्रेम की संख्या कम किया जा सकता है । तकनीक का मतलब प्रवाह है कि मुख्य रूप से दो आयामी है के लिए उपयुक्त है, कणों कि कम से 5 बार piv सीडिंग tracers का मतलब व्यास होते हैं, और एकाग्रता में कम कर रहे हैं ।
Introduction
वहां दोनों वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग क्षेत्रों में आवेदनों की एक बड़ी संख्या में मौजूद है कि अशांत प्रवाह में कणों के व्यवहार को शामिल, उदाहरण के लिए, वातावरण में एयरोसौल्स, contaminants और/ सागर में सूक्ष्म जीवों या अवसाद1,2,3। ऐसे अनुप्रयोगों में, यह समझने के लिए ब्याज की अक्सर है कि कैसे कणों अशांति का जवाब है, जो कण कीनेमेटिक्स और तरल पदार्थ गतिशीलता के एक साथ माप की आवश्यकता है.
कण गति को मापने के लिए मौजूदा प्रौद्योगिकियों, नामक कण ट्रैकिंग (पीटी), जो व्यक्तिगत कण trajectories पटरियों, और कण छवि velocimetry की सांख्यिकीय तकनीक4,5 (piv), प्रवाह को मापने के लिए इस्तेमाल किया velocities, दोनों गैर दखल ऑप्टिकल तकनीकों को शामिल । दोनों प्रवाह और कण कीनेमेटिक्स को मापने के लिए इन गैर-दखल ऑप्टिकल तकनीकों का उपयोग करने में मुख्य चुनौती एक साथ अलग रोशनी प्रत्येक इमेजिंग तकनीक है कि दूसरे की माप सटीकता के साथ हस्तक्षेप नहीं कर सकते के लिए आवश्यक है ( उदाहरण के लिए, कण कीनेमेटिक्स को मापने के लिए रोशनी स्रोत द्रव वेग माप और उपाध्यक्ष प्रतिकूल में एक महत्वपूर्ण शोर स्रोत के रूप में कार्य नहीं कर सकते हैं). छवियों के दोनों सेट में छवि कंट्रास्ट विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए पर्याप्त होने की आवश्यकता है । उदाहरण के लिए, पॉइंट छवियों को श्वेत और श्याम छवियों में कनवर्ट किया जाता है ताकि कण स्थिति निर्धारित करने के लिए ब्लॉब विश्लेषण किया जा सके; इस प्रकार, अपर्याप्त इसके विपरीत कण की स्थिति में त्रुटियों की ओर जाता है. piv छवियों में गरीब इसके विपरीत एक कम संकेत करने के लिए शोर अनुपात है कि तरल पदार्थ वेग के आकलन में inaccuracies का कारण होगा मात्रा ।
यहाँ, एक अपेक्षाकृत कम लागत और सरल विधि एक साथ दोनों कण कीनेमेटीक्स और प्रवाह वेग को मापने के लिए वर्णित है. एक उच्च शक्ति के उपयोग के माध्यम से मोनोरंगीन प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) रेखा प्रकाश, जहां रेखा प्रकाश एपर्चर को संदर्भित करती है, और दोहरे सिर वाले उच्च तीव्रता वाले लेज़र, ब्याज के दोनों कणों और प्रवाह क्षेत्र एक ही क्षेत्र में एक साथ imaged हैं । एलईडी की उच्च शक्ति उच्च गति कैमरे द्वारा (ट्रैक) कणों की इमेजिंग के लिए पर्याप्त है, लेकिन piv छवियों को प्रभावित नहीं करता है क्योंकि प्रकाश की तीव्रता piv ट्रेकर्स से बिखरे बहुत कम है । जब दोहरी सिर उच्च तीव्रता लेजर piv छवियों के लिए प्रवाह क्षेत्र illuminates, यह एक कम समय अंतराल पर होता है और इन छवियों को आसानी से पहचान कर रहे है और समय उच्च गति पीटी कैमरा जब वे पंजीकृत है द्वारा प्राप्त श्रृंखला से हटा दिया । piv लेजर दालों उच्च गति छवि में दर्ज (कण ट्रैकिंग के लिए इस्तेमाल किया) समय श्रृंखला एक दूसरे के साथ अनुरूप कर रहे हैं कि फ्रेम अधिग्रहण दर पर दो प्रणालियों नहीं चल रहा द्वारा कम किया जा सकता है. अधिक उंनत setups में, एक बाह्य एक देरी है कि यह सुनिश्चित होता है के साथ पीटी और piv कैमरों ट्रिगर सकता है ऐसा नहीं है । अंत में, देखने के piv क्षेत्र के भीतर ट्रैक किया जा रहा कणों की मात्रा के बारे में सावधानी से विचार (fov), किसी भी piv छवियों के सहसंबंध विश्लेषण में इन ट्रैक कणों द्वारा शुरू की त्रुटियों को पहले से ही समग्र त्रुटि अनुमान द्वारा खाते में ले रहे हैं, पूछताछ खिड़की के भीतर piv tracers के गैर वर्दी आकार वितरण के साथ जुड़े त्रुटियों सहित । पीआईवी सीडिंग ट्रेकर्स के विशाल बहुमत प्रवाह का पालन कर रहे हैं, सटीक प्रवाह वेग अनुमान उपज । इन तकनीकों दोनों कण कीनेमेटीक्स और एक दो आयामी विमान में प्रवाह क्षेत्र के एक साथ प्रत्यक्ष माप सक्षम करें ।
यह तकनीक एक अशांत प्रवाह में कण बसने विशेषताओं का निर्धारण करने के लिए इसे लागू करने के द्वारा प्रदर्शन किया है, कि यांग और शर्मीली6 और याकूब एट अल द्वारा अध्ययन में इस्तेमाल के समान । 7. कण बसने तलछट परिवहन में अंतिम चरण है, जो आम तौर पर तलछट निलंबन, परिवहन, और बसने के होते हैं । सबसे पहले अध्ययनों में संबोधित किया है कि अशांत प्रवाह में बसने कण, या तो कण trajectories या अशांत वेग सीधे नहीं मापा जाता है, लेकिन सैद्धांतिक रूप से inferred या8,9,10मॉडलिंग की । कणों और अशांति के बीच बातचीत पर विवरण अक्सर दोनों एक साथ6,11को मापने में प्रयोगात्मक सीमाओं के कारण सैद्धांतिक और संख्यात्मक मॉडल का उपयोग कर जांच की गई है. हम एक दोलायमान ग्रिड सुविधा है, जहां हम अशांति के साथ कणों और उनके युग्मन के बसने वेग का अध्ययन में एक कण अशांति बातचीत के मामले का अध्ययन प्रस्तुत करते हैं । स्पष्टता के लिए, इसके बाद हम जांच के तहत कणों को “कणों” और “ट्रेकर्स” के रूप में piv तकनीक के लिए इस्तेमाल किया बोने वाले कणों के रूप में उल्लेख करेंगे; इसके अतिरिक्त, हम “कण ट्रैकिंग”, “पीटी”, या “उच्च गति” कैमरा, जो उपाय “उच्च गति छवियों” और piv विधि के लिए इस्तेमाल किया कैमरा “piv कैमरा” के रूप में कण trajectories के उच्च गति इमेजिंग के लिए इस्तेमाल कैमरे को संदर्भित करेगा, जो उपाय “छवियां” । इस विधि के साथ साथ इस सुविधा के भीतर ब्याज की एक पूर्व निर्धारित क्षेत्र पर कणों कीनेमेटीक्स और द्रव गतिशीलता के एक साथ माप सक्षम बनाता है । प्राप्त डेटा कण-अशांति अन्योन्य क्रिया का द्वि-आयामी वर्णन प्रदान करता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस के साथ साथ वर्णित विधि अपेक्षाकृत सस्ती है और एक साथ कण प्रक्षेपपथ और अशांति को मापने के लिए कण कीनेमेटिक्स पर प्रवाह के प्रभाव की जांच करने के लिए एक सरल तरीका प्रदान करता है. यह उल्लेखनीय है कि प्रव?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के अंश द्वितीय-VI फाउंडेशन और तटीय कैरोलिना व्यावसायिक संवर्धन अनुदान द्वारा समर्थित थे । हम भी प्रयोगात्मक सेटअप के साथ मदद के लिए corrine याकूब, marek जेंडरास्क और विलियम मर्चेंट को स्वीकार करना चाहते हैं ।
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. |
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