Samtidig måling af turbulens og partikel kinematik bruge Flow Imaging teknikker

Summary

Den teknik beskrevet heri tilbyder en billig og forholdsvis enkel metode til samtidig måling partikel kinematik og turbulens i strømme med lav partikel koncentrationer. Turbulensen er målt ved hjælp af partikel billede Velocimetri (PIV), og partikel kinematik er beregnet ud fra billeder fås med en høj hastighed kamera i et overlappende felt-of-view.

Abstract

Talrige problemer i videnskabelige og tekniske felter inddrage forståelse kinematik af partikler i turbulent strømme, som forurenende stoffer, marine mikroorganismer og/eller sedimenter i havet, eller fluidiserede bed reaktorer og forbrændingsprocesser i manipuleret systemer. For at studere effekten af turbulens på kinematik af partikler i sådanne strømme, er samtidige målinger af både flow og partikel kinematik påkrævet. Ikke-påtrængende, optisk flow måling teknikker til måling af turbulens eller til sporing af partikler, der findes men måle begge samtidigt kan være udfordrende på grund af interferens mellem teknikkerne. Den metode, der præsenteres heri giver en billig og forholdsvis enkel metode til at foretage samtidige målinger af flow og partikel kinematik. Et tværsnit af strømmen er målt ved hjælp af en partikel billede Velocimetri (PIV) teknik, som giver to komponenter i hastighed i målingen plan. Denne teknik anvender et pulserende laser til belysning af feltet seedede flow, der er afbildet med et digitalt kamera. Partikel kinematik er samtidig afbildet ved hjælp af en lysemitterende diode (LED) linje lys, der lyser en planar tværsnit af den strøm, der overlapper med PIV field-of-view (FOV). Linje lys er lav nok strøm at den ikke påvirker PIV-målinger, men kraftig nok til at belyse de større partikler af interesse afbildet ved hjælp af high-speed kamera. Højhastigheds billeder, der indeholder laserpulser fra PIV teknik er let filtreret ved at undersøge det summerede intensitetsniveauet i hver højhastigheds billede. Ved at gøre frame rate af den højhastighedskamera landingers med de PIV kamera framerate, kan antallet af forurenet rammer i high-speed tidsserierne minimeres. Teknikken er velegnet til gennemsnitlige strømme, der er overvejende to-dimensionelle, indeholder partikler, der er mindst 5 gange den gennemsnitlige diameter af PIV såning røbestoffer, og lav koncentration.

Introduction

Der findes et stort antal programmer i både videnskabelige og tekniske felter, der involverer opførsel af partikler i turbulent strømme, for eksempel, aerosoler i atmosfæren, forurenende stoffer og/eller sedimenter i manipuleret systemer og marine mikroorganismer eller sediment i ocean^1,2,3. I sådanne ansøgninger er det ofte af interesse at forstå hvordan partiklerne reagere på turbulens, som kræver en samtidig måling af partikel kinematik og fluid dynamik.

Eksisterende teknologier til at måle partikel bevægelser, kaldet partikel tracking (PT), som holder styr på individuelle partikel baner, og den statistiske teknik partikel billede Velocimetri^4,5 (PIV), anvendes til at måle flow hastigheder, begge indarbejde ikke-påtrængende optiske teknikker. Den største udfordring i at bruge disse ikke-påtrængende optiske teknikker for at måle flow og partikel kinematik samtidig er separate belysningen kræves for hver billeddannelse teknik, der kan interferere med den anden måling nøjagtighed ( fx belysning kilde til måling af partikel kinematik kan ikke fungere som en betydelig støjkilden i væske velocity måling og vice-versa). Billedets kontrast i begge sæt af billeder skal være tilstrækkelig til at opnå pålidelige resultater. For eksempel, konverteres PT-billeder til sort-hvide billeder for at udføre en klat analyse for at bestemme partikel positioner; således, ikke tilstrækkelig kontrast fører til fejl i partikel holdning. Dårlig kontrast i PIV billeder beløb til en lav signal / støj-forhold, der vil forårsage unøjagtigheder i vurdering af de flydende hastigheder.

Her, er en forholdsvis billig og simpel metode til samtidig måle både partikel kinematik og flow hastigheder beskrevet. Gennem brug af en high-power monokromatiske lysemitterende diode (LED) linje lys, hvor linjen refererer til lys blænde og dual-head høj intensitet laser, er både partikler af interesse og feltet flow afbildet i samme region samtidigt. Potensen af LED er tilstrækkeligt til billeddannelse af (registrerede) partikler med høj hastighed kameraet men påvirker ikke PIV billeder fordi lysintensiteten spredt fra PIV røbestoffer er for lavt. Når dual-head høj intensitet laser lyser feltet flow for PIV billeder, det sker over en kort tidsinterval og disse billeder er let identificeres og fjernes fra den tidsserien fremstillet ved PT højhastighedskamera, når de er registreret. PIV laser pulser indspillet i high-speed billede (anvendes til partikel tracking) tid serien kan minimeres ved ikke kører de to systemer på erhvervelse billedhastigheder, der svarer til hinanden. I mere avancerede opsætninger, kunne et eksternt udløse PT og PIV-kameraer med en forsinkelse, som ville sikre, at dette ikke sker. Endelig, ved nøje overvejelse af mængden af partikler spores inden for PIV field of view (FOV), fejl indført ved disse sporede partikler i sammenhæng analysen af PIV billeder er allerede taget i betragtning af den samlede fejl skøn, herunder fejl i forbindelse med ikke-ensartet størrelse distribution af PIV røbestoffer i vinduet forhør. Langt størstedelen af PIV såning røbestoffer følger strømmen, giver præcise flow hastighed skøn. Disse teknikker aktiverer den samtidige direkte måling af begge partikel kinematik og flow felt i et todimensionalt fly.

Denne teknik er påvist ved at anvende den for at afgøre partikel afregning karakteristika i en turbulent strømning, svarende til, bruges i studier af Yang og genert⁶ og Jacobs et al. ⁷. partikel afregning er den sidste fase i sedimenttransport, som generelt består af sediment suspension, transport og afregning. I de fleste tidligere undersøgelser, der har behandlet partikel bosætter sig i turbulent strømme, enten partikel baner eller turbulent hastigheder måles ikke direkte men udledes teoretisk eller modelleret^8,9,10. Oplysninger om vekselvirkninger mellem partikler og turbulens har oftest været undersøgt ved hjælp af teoretiske og numeriske modeller på grund af de eksperimentelle begrænsninger i at måle både samtidig^6,11. Vi præsenterer en partikel-turbulens interaktion casestudie i en oscillerende gitter facilitet, hvor vi studerer bilægge hastigheden af partikler og deres kobling med turbulens. Klarhed, vil herefter vi henvise til partikler under undersøgelsen som “partikler” og seeding partiklerne bruges til PIV teknik som “sporstoffer”; Derudover vil vi henvise til kameraet anvendes til højhastigheds billeddannelse af partikel baner som “partikel tracking”, “PT” eller “high-speed” kamera, hvilke måler “high-speed billeder” og kameraet anvendes til metoden PIV “PIV kameraet”, som måler “billeder”. Den metode beskrevet heri kan samtidig måling af partikler kinematik og fluid dynamik over en pre-defineret felt af interesse i havnefaciliteten. De opnåede data giver en to-dimensionel beskrivelse af partikel-turbulens interaktion.

Protocol

Bemærk: Alle personale skal være uddannet i sikker brug og drift af klasse IV lasere såvel som i sikker brug og drift af hånd og magt værktøjer. 1. eksperimentel Set-up PIV setup Opsætning af dual-head laser og optik. Placere laseren på en optisk plade. Niveau laser med hensyn til bunden af anlægget (eller med hensyn til jorden, hvis det ønskes at have lodret hastigheder på linje med tyngdeaccelerationen) og vertikalt justeres laserstråle…

Representative Results

En skematisk af opsætningen af eksperimenterende er vist i figur 1. Figuren viser placeringen af lys ark (LED og laser), overlapningen i FOVs, og placeringen af FOVs i forhold til oscillerende gitter og tank vægge. Turbulens og partikler måles samtidigt som beskrevet i afsnittet protokol. Figur 2 viser eksempel resultaterne af målingerne af øjeblikkelige hastighed og vorticity sammen med prøven partikel baner. Resultaterne …

Discussion

Den metode beskrevet heri er relativt billig og giver en enkel måde at måle samtidig partikel baner og turbulens for at undersøge flow indflydelse på partikel kinematik. Det er værd at nævne, at strømme eller partikel bevægelser, der er stærkt tredimensionale ikke er velegnet til denne teknik. Ud af flyet bevægelse vil resultere i fejl¹⁷ i både 2D sporing og til analyse af PIV og bør minimeres. Derudover kræver metoden koncentration af sporet partikler er forholdsvis lav (på rækkef?…

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.