流成像技术同时测量湍流和粒子运动学
Summary
本文所述的技术提供了一种低成本和相对简单的方法来同时测量低颗粒浓度流动中的粒子运动学和湍流。利用粒子图像测速仪 (piv) 测量湍流, 并根据在重叠视场中使用高速摄像机获得的图像计算粒子运动学。
Abstract
科学和工程领域的许多问题涉及了解湍流中粒子的运动学, 如污染物、海洋微生物和海洋中的沉积物, 或流化床反应器和燃烧过程。工程系统。为了研究湍流对湍流中颗粒运动学的影响, 需要同时测量流动和粒子运动学。用于测量湍流或跟踪颗粒的非侵入性、光学流量测量技术是存在的, 但由于技术之间的干扰, 同时测量这两种技术可能具有挑战性。本文提出的方法为同时测量流量和粒子运动学提供了一种成本较低、相对简单的方法。利用粒子图像测速 (piv) 技术测量流量的横截面, 该技术在测量平面上提供了速度的两个分量。该技术利用脉冲激光对数码相机成像的种子流场进行照明。粒子运动学使用发光二极管 (led) 线灯同时成像, 该线光照亮与 piv 视场 (fov) 重叠的流量的平面横截面。线路光的功率足够低, 不会影响 piv 的测量, 但足够强大, 可以照亮使用高速相机成像的更大的感兴趣的粒子。通过检查每个高速图像的求和强度水平, 可以很容易地过滤包含 piv 技术中的激光脉冲的高速图像。通过使高速摄像机的帧速率与 piv 摄像机帧速率不相称, 可以最大限度地减少高速时间序列中的受污染帧数。该技术适用于主要为二维、所含颗粒的平均流量至少是 piv 播种示踪剂平均直径的 5倍, 且浓度较低。
Introduction
在科学和工程领域都有大量的应用, 涉及湍流中粒子的行为, 例如大气中的气溶胶、工程系统中的污染物和沉积物以及海洋海洋中的微生物或沉积物1,2,3。在这种应用中, 通常需要了解粒子对湍流的响应, 这需要同时测量粒子运动学和流体动力学。
测量粒子运动的现有技术, 称为粒子跟踪 (pt), 用于跟踪单个粒子轨迹, 以及用于测量流量的粒子图像测速4、5 (piv) 的统计技术速度, 两者都采用非侵入性光学技术。使用这些非侵入性光学技术同时测量流动和粒子运动学的主要挑战是每种成像技术所需的单独照明, 这些照明不会干扰对方的测量精度 (例如,测量粒子运动学的光源不能在流体速度测量中起到重要噪声源的作用, 反之亦然)。这两组图像中的图像对比度需要足以获得可靠的结果。例如, pt 图像转换为黑白图像, 以便执行 blob 分析以确定粒子位置;因此, 对比度不足会导致粒子位置错误。piv 图像中对比度较差, 相当于信噪比较低, 会导致对流体速度的估计不准确。
本文介绍了一种相对较低的成本和简单的同时测量粒子运动学和流速的方法。通过使用大功率单色光发光二极管 (led) 线光, 其中线路指的是光孔径, 而双头高强度激光, 感兴趣的粒子和流场同时在同一区域成像。led 的高功率足以通过高速摄像机对 (跟踪) 粒子进行成像, 但不会影响 piv 图像, 因为从 piv 示踪剂散射的光强太低。当双头高强度激光照亮 piv 图像的流场时, 它发生在很短的时间间隔内, 这些图像在注册时很容易识别并从高速 pt 相机获得的时间序列中删除。通过不以彼此匹配的帧采集速率运行两个系统, 可以最大限度地减少高速图像 (用于粒子跟踪) 时间序列中记录的 piv 激光脉冲。在更高级的设置中, 可以在外部触发 pt 和 piv 摄像机, 延迟使用, 以确保不会发生这种情况。最后, 通过仔细考虑在 piv 视场 (fov) 范围内跟踪的粒子数量, 总体误差估计已经考虑到了这些跟踪粒子在 piv 图像相关分析中引入的任何错误,包括与审讯窗口内 piv 示踪剂尺寸分布不均匀有关的错误。绝大多数的 piv 播种示踪剂都跟随流动, 得出准确的流速估计。这些技术使粒子运动学和流场在二维平面上同时直接测量。
通过将其应用于确定湍流中的粒子沉降特性, 证明了这一技术, 类似于 yang、shy6和 jacobs 等人的研究.7. 颗粒沉降是沉积物输送的最后阶段, 一般由沉积物悬浮、输送和沉降组成。在以往大多数研究中, 处理了湍流中的粒子沉降问题, 粒子轨迹或湍流速度不是直接测量的, 而是理论上推断或建模的 8, 9,10.由于同时测量 6、11的实验局限性, 最常用的方法是使用理论和数值模型来研究粒子和湍流之间相互作用的细节。我们提出了一个粒子-湍流相互作用的案例研究在一个振荡的网格设施, 在那里我们研究粒子的沉降速度及其与湍流的耦合。为清楚起见, 我们将把被调查的粒子称为 “粒子”, 将用于 piv 技术的播种粒子称为 “示踪剂”;此外, 我们将把用于粒子轨迹高速成像的相机称为 “粒子跟踪”、”pt” 或 “高速” 相机, 它测量 “高速图像” 和用于 piv 方法的相机 “piv 相机”,测量 “图像”。本文介绍的方法可在设施内预定义的兴趣领域同时测量粒子运动学和流体动力学。所获得的数据提供了粒子-湍流相互作用的二维描述。
Protocol
Representative Results
Discussion
本文所描述的方法相对便宜, 为同时测量粒子轨迹和湍流以检验流动对粒子运动学的影响提供了一种简单的方法。值得一提的是, 强烈三维的流动或粒子运动并不适合这种技术。平面外运动将导致二维跟踪和 piv 分析中的错误17 , 应尽量减少。此外, 该方法要求跟踪粒子的浓度相对较低 (每张 pt 图像的粒重比数个)。为了最大限度地保证在连续的图像中跟踪相同的粒子, 此限制非常重…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作的部分内容得到了 ii-vi 基金会和南卡罗来纳州海岸专业增强赠款的支持。我们还要感谢科琳·雅各布斯、马里克·詹德拉斯克和威廉·梅钱特在实验设置方面的帮助。
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. |
References
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