Ce matériau est basé sur des travaux appuyés par le US National Science Foundation, subvention n ° ÉFAC-1032930 et aux travaux effectués à l&#39;Université de Quantitative Laser Diagnostics Laboratory du Michigan.

<ol>
	<li>Raffel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (2007).</li><li>Adrian, R. J., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle image velocimetry. , (2011).</li><li>Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+speed+imaging+in+fundamental+and+applied+combustion+research.">High speed imaging in fundamental and applied combustion research.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 34 (2), 3509-3530 (2013).</li><li>Prasad, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+image+velocimetry.">Particle image velocimetry.</a> Current Science (Bangalore). 79 (1), 51 (2000).</li><li>Stitou, A., Riethmuller, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extension+of+PIV+to+super+resolution+using+PTV.">Extension of PIV to super resolution using PTV.</a> Measurement Science &amp; Technology. 12 (9), 1398-1403 (2001).</li><li>Alharbi, A. Y., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+boundary+layers+in+internal+combustion+engines+using+a+hybrid+algorithm+of+high+speed+micro-PIV+and+PTV.">Investigation of boundary layers in internal combustion engines using a hybrid algorithm of high speed micro-PIV and PTV.</a> Experiments in Fluids. 49 (4), 949-959 (2010).</li><li>Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+PIV+Algorithm+for+Estimating+Time-Averaged+Velocity+Fields.">A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields.</a> Journal of Fluids Engineering. 122 (2), 285 (2000).</li><li>Jainski, C., Lu, L., Dreizler, A., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Speed+Micro+Particle+Image+Velocimetry+Studies+of+Boundary-Layer+Flows+in+a+Direct-Injection+Engine.">High-Speed Micro Particle Image Velocimetry Studies of Boundary-Layer Flows in a Direct-Injection Engine.</a> International Journal of Engine Research. , (2012).</li><li>White, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fluid mechanics. , 864 (2008).</li><li>Pope, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Turbulent Flows. , 771 (2000).</li><li>Most, D., Leipertz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+Two-Dimensional+Flow+Velocity+and+Gas+Temperature+Measurements+by+use+of+a+Combined+Particle+Image+Velocimetry+and+Filtered+Rayleigh+Scattering+Technique.">Simultaneous Two-Dimensional Flow Velocity and Gas Temperature Measurements by use of a Combined Particle Image Velocimetry and Filtered Rayleigh Scattering Technique.</a> Applied Optics. 40 (30), 5379 (2001).</li><li>Omrane, A., Petersson, P., Ald&#233;n, M., Linne, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+2D+flow+velocity+and+gas+temperature+measurements+using+thermographic+phosphors.">Simultaneous 2D flow velocity and gas temperature measurements using thermographic phosphors.</a> Applied Physics B. 92 (1), 99-102 (2008).</li><li>Someya, S., Li, Y., Ishii, K., Okamoto, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+two-dimensional+velocity+and+temperature+measurements+of+natural+convection+using+a+high-speed+camera+and+temperature-sensitive+particles.">Combined two-dimensional velocity and temperature measurements of natural convection using a high-speed camera and temperature-sensitive particles.</a> Experiments in Fluids. 50 (1), 65-73 (2010).</li><li>Peterson, B., Reuss, D. L., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+imaging+analysis+of+misfires+in+a+spray-guided+direct+injection+engine.">High-speed imaging analysis of misfires in a spray-guided direct injection engine.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 33 (2), 3089-3096 (2011).</li></ol>

Les auteurs n&#39;ont rien à révéler.

Comme avec n&#39;importe quelle technique de mesure de flux optique, la planification de la mise en place de l&#39;image particules à grande vitesse vélocimétrie (PIV) exige une évaluation des contraintes et de l&#39;évaluation des meilleurs compromis pour la tâche de mesure à la main. Le choix du grossissement de l&#39;image, le frame rate, les propriétés de la feuille de laser, et des algorithmes d&#39;analyse dépend des détails de la circulation à l&#39;étude. Si nécessaire, des mesures exploratoires doivent être menées pour identifier les paramètres pour des mesures de haute fidélité. Cet article décrit la procédure générale et des résultats de l&#39;échantillon pour PIV à grande vitesse pour étudier la couche limite d&#39;un écoulement le long d&#39;une plaque plane. Une séquence de 500 images a été enregistré à 5 kHz. Un microscope à longue distance a été utilisé pour réaliser un x 1,8 mm 2 de champ de vue de 2,4 situé à la surface de la plaque. Éclairage de haute qualité des gouttelettes d&#39;huile de graines a été réalisée avec un faisceau d&#39;un laser pulsé pompé par diode à semi-conducteurs qui a été développé dans un sh lumièreeet en utilisant un homogénéisateur de faisceau. Homogénéisateur de faisceau comprend un réseau de micro-lentilles formé de petites lentilles cylindriques et, un télescope intégré supplémentaire. La matrice de micro-lentilles se dilate le faisceau circulaire dans la direction verticale par séparer le faisceau entrant en faisceaux élémentaires. Ensuite, le télescope suivant superpose les petits faisceaux pour créer une nappe de lumière avec une distribution d&#39;intensité de lumière dans le même plan de la tôle de lumière perpendiculaire à la propagation du faisceau. Les images ont été traitées à l&#39;aide d&#39;un algorithme de corrélation croisée PIV. Il convient de noter qu&#39;un faisceau homogénéisé est utile, surtout lorsque vous travaillez à proximité de surfaces, mais ce n&#39;est pas essentiel à l&#39;application décrite ici. La méthode décrite dans cette procédure permet à des enquêtes non-intrusives haute résolution, haute vitesse de flux en utilisant des algorithmes de corrélation robustes. Les principaux avantages de cette technique de mesure à haute résolution et haute vitesse sont résolution spatiale et temporelle élevée et la capacité d&#39;identifier et de suivrel&#39;évolution des structures au sein de l&#39;écoulement. Grâce à ces techniques, Alharbi 6 et Jainski et al. 8 ont démontré la capacité de visualiser et de suivre les structures tourbillonnaires au sein de la couche limite d&#39;un moteur à combustion interne. Ces caractéristiques clés permettent d&#39;enquêtes sur la structure et la dynamique des écoulements fortement transitoires. En outre, PIV peut être étendu au-delà de la, à deux composants, à deux dimensions (2D-2C) des champs de vitesse (comme décrit ici) pour résoudre 3-composantes (3C) dans un plan (stéréo-PIV) et dans un volume (tomographique PIV , la numérisation PIV, PIV holographique). En outre, PIV peut être mis en œuvre avec d&#39;autres techniques telles que le plan fluorescence induite par laser (PLIF), filtré diffusion de Rayleigh (FRS), et phosphores thermographiques pour atteindre mesures 2D simultanés de vitesse et d&#39;autres scalaires (température, concentration des espèces, des rapports d&#39;équivalence) 11 -14. Ces méthodes optiques, à base de laser peuvent être appliqués directement à enquêter sur la masse etprocessus d&#39;échange d&#39;énergie dans de nombreuses applications, comme la quasi-paroi flux dans un moteur à combustion interne.

Mesures multidimensionnelles de vitesses et la capacité de suivre le champ d&#39;écoulement dans le temps fournissent des renseignements essentiels dans de nombreux domaines de la science, l&#39;ingénierie et sciences de la santé. Parmi les techniques les plus couramment utilisés pour l&#39;imagerie de flux est vélocimétrie par image de particules (PIV). Initialement créé comme une technique planaire qui instantanés mesurées des deux dans le plan composantes de la vitesse, des variantes PIV ont été développés pour fournir des capacités de mesure à trois composantes et volumétrique. Tous les systèmes PIV sont constitués de particules de traceur, une ou plusieurs sources de lumière, et une ou plusieurs caméras. Les particules solides ou de gouttelettes sont couramment utilisés comme particules traçantes mais bulles inhérents à la circulation peuvent également être utilisés sous forme de particules traçantes. La caméra (s), puis l&#39;image (s) dispersée ou la lumière émise par les particules de traceur après qu&#39;ils sont irradiés par la source lumineuse (s). Parmi le large éventail de variations 1,2, la plus courante capture deux composantes de la vitesse dans un plan à un rate de quelques images par seconde. Plus récemment, une nouvelle instrumentation a permis à des mesures de fréquence d&#39;image élevée (&gt; 1 kHz) qui suivent le débit à des échelles de temps turbulents dans la gamme kHz. PIV détermine un champ de vitesse en suivant le mouvement moyen des groupes de particules à partir d&#39;une paire d&#39;images qui sont séparées par un temps de retard connu. Chaque image est divisée en une grille de fenêtres d&#39;interrogation espacés régulièrement. L&#39;interrogatoire taille la plus courante de la fenêtre est de 32 x 32 pixels. Un algorithme calcule la fonction de corrélation croisée pour toutes les fenêtres d&#39;interrogation, ce qui entraîne un vecteur de déplacement par fenêtre d&#39;interrogation, et produit donc une grille régulière de vecteurs. Diviser le champ de vecteurs de déplacement par le temps de retard détermine alors le champ de vecteurs de vitesse. Lors de la planification des mesures de PIV, il est important de réaliser que généralement le choix des paramètres expérimentaux est un compromis entre des exigences contradictoires. En d&#39;autres termes, l&#39;expériencetroubles mentaux doivent être soigneusement planifié pour capturer les aspects de la circulation qui sont d&#39;importance pour l&#39;étude à portée de main. Les livres de Raffel et al. 1 et Adrian et Westerweel 2 fournissent d&#39;excellentes discussions approfondies sur ces contraintes. Ici, nous mettons en évidence plusieurs qui sont les plus critiques dans le contexte actuel. Le choix du champ de vision (FOV) pour définir le point de départ de la sélection des paramètres ici. Le nombre de pixels sur la puce de la caméra détermine ensuite la résolution spatiale et le nombre de vecteurs que l&#39;on obtient, en supposant que l&#39;on choisit d&#39;utiliser une taille de fenêtre d&#39;interrogation de 32 x 32 pixels, souvent avec un recouvrement de 50% au cours de la procédure de corrélation croisée. Une densité d&#39;ensemencement des particules de 8 à 10 par fenêtre d&#39;interrogation est généralement souhaitable pour faciliter la fonction de corrélation croisée. Cependant, il ya des algorithmes spéciaux, tels que la vélocimétrie de suivi de particules (PTV) et les approches de corrélation moyenne temporelle, qui peutêtre utilisé pour traiter les situations à faible densité de semis (1-3 particules / fenêtre d&#39;interrogation) comme c&#39;est le cas avec l&#39;imagerie à proximité de surfaces. A noter que les gradients de vitesse à l&#39;intérieur de chaque fenêtre d&#39;interrogation doit être faible afin d&#39;éviter un biais dans le vecteur représentatif qui en résulte pour cette fenêtre. Une règle de pouce établie est que les déplacements des particules entre la première et la deuxième trame ne doit pas dépasser huit pixels (¼ de la taille de la fenêtre d&#39;interrogation) à réduire le nombre de pertes d&#39;appariement (perte d&#39;images de particules à l&#39;intérieur de la fenêtre d&#39;interrogation à partir de la première cadrer au deuxième cadre) pour la corrélation. En conséquence, le délai entre les deux impulsions laser consécutives (dt) doit être ajustée en conséquence. Toutefois, la réduction dt inférieure à la somme des déplacements de 8 pixels permettra de réduire la plage dynamique de la vitesse en raison de la limite de résolution de l&#39;extrémité inférieure est de l&#39;ordre de 0,1 déplacement de pixel. Similaire au déplacement 8 pixels wans le plan de formation d&#39;image, les particules les plus élevées de la vitesse ne doit pas traverser plus de ¼ de l&#39;épaisseur de la nappe de lumière, à nouveau de réduire le nombre de pertes de couplage. Etant donné que le retard de temps entre les deux impulsions laser est utilisé pour assurer les meilleures corrélations dans le plan de la nappe de lumière, l&#39;épaisseur de la feuille est une variable dans ce contexte. Alors que l&#39;uniformité de l&#39;intensité de la lumière n&#39;est pas aussi critique que pour les mesures fondées sur l&#39;intensité comme plane fluorescence induite par laser imagerie 3, un profil de faisceau top-hat près contribue à la qualité PIV, en particulier pour l&#39;imagerie de haute résolution. En général, quelques hypothèses sur la nature de l&#39;écoulement à l&#39;étude peuvent être utilisés comme point de départ dans la sélection des paramètres expérimentaux. Ensuite, exploratoires expériences pourraient être nécessaires pour affiner les réglages. Nous décrivons ici comment mettre en place une expérience PIV qui permet des mesures d&#39;imagerie des taux de rafraîchissement élevés de deux compone de vitessents avec une résolution spatiale qui est suffisant pour résoudre les structures de la couche limite. Ceci est accompli à l&#39;aide d&#39;un taux élevé-répétition TEM 00 pompé par diode laser à semi-conducteur, un microscope longue distance, et un taux caméra haute capteur CMOS. Quelques détails sur l&#39;imagerie à proximité de surfaces sont également inclus.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Name of Equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Model</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed 532 nm Nd:YAG laser</td>
			<td>Quantronix</td>
			<td>Model: Hawk I</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Long distance microscope (QM-100)</td>
			<td>Questar</td>
			<td>Model: QM-100</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed CMOS camera (Phantom v7.3)</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td>Model: Phantom v7.3</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomizer (TSI 9306)</td>
			<td>TSI</td>
			<td>Model: 9306</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone oil</td>
			<td>Dow Corning CST 510</td>
			<td>CST 510 Fluid</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beam homogenizer</td>
			<td>Fraunhofer</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>45&deg; high-reflectivity (HR) 532 nm turning mirror</td>
			<td>Laser Optik</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aperture</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration target</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PIV recording and processing software</td>
			<td>LaVision</td>
			<td>Software: Da Vis</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed controller (HSC)</td>
			<td>LaVision</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical rail and carriers</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser beam blocks and traps</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mounts for optical elements</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Translation stage</td>
			<td>Newport</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal tubing to create jet flow</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Combination square and centering square</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-speed particle image velocimetry near surfaces

Les flux multi-dimensionnels et transitoires jouent un rôle clé dans de nombreux domaines de la science, l&#39;ingénierie et les sciences de la santé, mais ne sont souvent pas bien compris. La nature complexe de ces flux peut être étudiée en utilisant la vélocimétrie par images de particules (PIV), une technique d&#39;imagerie à base de laser pour les flux optique accessibles. Bien que de nombreuses formes de PIV existent qui s&#39;étendent au-delà de la technique du plan d&#39;origine de capacités de mesure vitesse à deux composants, le système PIV de base se compose d&#39;une source de lumière (laser), un appareil photo, des particules de traceur, et des algorithmes d&#39;analyse. Les paramètres d&#39;imagerie et d&#39;enregistrement, la source de lumière, et les algorithmes sont ajustés pour optimiser l&#39;enregistrement de l&#39;écoulement d&#39;intérêt et à obtenir des données de vitesse valides. Common enquêtes mesurent PIV vitesses à deux composants dans un avion à quelques images par seconde. Les mesures de fréquence d&#39;image élevée (&gt; 1 kHz) Toutefois, les récents développements en matière d&#39;instrumentation ont facilité capables de résoudre transitionent coule avec une haute résolution temporelle. Par conséquent, les mesures de fréquence d&#39;image élevée ont permis aux enquêtes sur l&#39;évolution de la structure et de la dynamique des écoulements fortement transitoires. Ces enquêtes jouent un rôle essentiel dans la compréhension de la physique fondamentale des flux complexes. Une description détaillée pour effectuer à haute résolution et haute vitesse PIV planaire d&#39;étudier un écoulement transitoire à proximité de la surface d&#39;une plaque plane est présentée ici. Détails pour ajuster les contraintes de paramètres tels que l&#39;image et les propriétés d&#39;enregistrement, les propriétés de la feuille de laser, et des algorithmes de traitement d&#39;adapter PIV pour tout flux d&#39;intérêts sont inclus.

Une photo du set-up est illustré à la figure 1. Images d&#39;un x 32 fenêtre d&#39;interrogation de 32 pixel près du mur de deux images consécutives capturés de particules bruts sont présentés dans la figure 2. Les particules de la figure 2a sont déplacés 2-3 pixels vers la droite dans la figure 2b et de satisfaire la «règle du quart&quot;, qui stipule que les déplacements de particules dans le plan et hors du plan ne doivent pas dépasser le quart de la taille de la fenêtre d&#39;interrogation . En outre, la densité de particules par la fenêtre d&#39;interrogation devrait être environ 8-10 particules depuis algorithmes de corrélation PIV suivre des groupes de particules. Cependant, la densité de semis en temps quasi-paroi PIV enquêtes est souvent de l&#39;ordre de 1-3 particules. Ainsi, des algorithmes spéciaux devraient être utilisés pour traiter des études avec une densité de semis plus faible, comme particules suivi vélocimétrie algorithmes (PTV) qui permettent de suivre les particules individuelles 1,2,4-6. Une approche de corrélation moyenne dans le temps7,8 peut également être utilisé pour traiter les problèmes de faible densité de semis, mais cela se traduit généralement par la perte de résolution temporelle. En outre, l&#39;imagerie près des murs est impactée par les réflexions de laser lumineux qui peuvent affecter négativement les corrélations PIV et produire de faux vecteurs. Ces réflexions lumineuses limitent également la position du premier vecteur de vitesse valable dans la direction normale paroi. Pré-traitement des images de particules bruts est nécessaire pour réduire l&#39;impact du bruit de fond à partir de sources telles que les réflexions laser. Dans cette démonstration le premier vecteur valide a été situé à 23 um du mur. Après images de particules brutes sont traitées à l&#39;aide des algorithmes de corrélation PIV, la qualité et la validité des champs de vecteurs de vitesse qui en résulte devraient être évalués. Vecteurs parasites sont inévitables dans les champs de vecteurs premières, mais il ya quelques caractéristiques distinctives. Vecteurs incorrectes sont communes à proximité de surfaces, sur les bords de la nappe de lumière, et à bords oflux fa. En outre, l&#39;ampleur et la direction des vecteurs invalides diffèrent sensiblement des vecteurs voisins et ne feront sens physique. Dans le cas de cet exemple de flux de couche limite, les vecteurs de vitesse valables doivent pointer de gauche à droite, comme les déplacements de particules provenant de la figure 2 montrent. En outre, les vitesses devraient diminuer près du mur en raison de la condition de non-glissement 9. Les champs de vitesse instantanés montre la figure 3 correspondent à ces deux critères physiques. Une autre mesure utile pour évaluer la validité des résultats PIV est de déterminer le choix du vecteur de chaque vecteur dans le champ de vecteurs vitesse. En général, le champ de vecteurs devrait être composé de&gt; = 95% premiers vecteurs de choix, c&#39;est à dire ceux qui n&#39;avait pas besoin de post-traitement, ainsi que les algorithmes de post-traitement robustes peuvent être utilisés pour détecter et remplacer les vecteurs parasites sans produire des artefacts importants 2. Les champs de vecteurs instantanés présentés dans <strong&gt; Figure 3 sont entièrement composée de 1ère vecteurs de choix. L&#39;importance de la grande vitesse, ou cinématographiques, les mesures de PIV devient évidente à partir d&#39;une inspection d&#39;une séquence temporelle d&#39;images de flux. Vitesse instantanée (V i) et de la fluctuation de vitesse (V &#39;) des champs de vecteurs au début, au milieu et à la fin de la séquence d&#39;enregistrement sont présentés dans la figure 3. En utilisant une décomposition de Reynolds, V i est la somme du champ de vitesse moyenné ( <img alt="Équation" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> ) Et V &#39;10. Pour cette expérience, <img alt="Équation" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> a été déterminée en faisant la moyenne de toutes les images temporellement dans la séquence. Les champs de vecteurs instantanés à traversla séquence d&#39;enregistrement sont très semblables et montrer le flux se déplaçant de la gauche vers la droite. Ces résultats indiquent également que l&#39;écoulement est essentiellement dans le sens horizontal depuis la composante de vitesse horizontale (u) est beaucoup plus importante que la composante de vitesse verticale (v). Les champs de vecteurs de fluctuation indiquent également que les fluctuations de la vitesse horizontale (u &#39;) sont plus grandes que les fluctuations de vitesse verticale (V&#39;). Cependant, les fluctuations indiquent également que le débit se ralentit depuis u &#39;inverse sa direction tout au long de la séquence d&#39;enregistrement. Le U-temps moyenne et instantanée - profils en plusieurs fois tout au long de la séquence d&#39;enregistrement sont présentés dans la figure 4 et vérifiez que la circulation se ralentit au fil du temps. L&#39;u - profils que nousre déterminée en faisant la moyenne de quatre colonnes de vecteurs adjacents ensemble pour améliorer la signification statistique des résultats proches de la paroi. La procédure a été utilisée dans des travaux antérieurs 6,8. Les barres d&#39;erreur indiquent deux fois l&#39;écart type des quatre colonnes de vecteurs adjacents. La plus grande barre d&#39;erreur se produit près de la surface de la plaque et réaffirme la difficulté d&#39;utiliser des algorithmes de corrélation PIV pour les zones à faible densité de semis. Plusieurs algorithmes d&#39;analyse sont conçus pour répondre à la faible densité de semis comme PTV 5,6 et approches de corrélation durée d&#39;utilisation moyenne 7,8. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig1.jpg" /> Figure 1. Assemblage de table. <img alt="Figure 2" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2.jpg" /> Figure 2. images de particules dans un 32 x 32 pixels interrogation près du mur à un) t = 0,2 msec et b) t = 0,4 ms. Les dimensions physiques de la fenêtre d&#39;interrogation sont de 96 x 96 um 2. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig3.jpg" /> Figure 3 Sur la gauche:. Instantanée (V i), et à droite: fluctuation des champs de vitesse (V &#39;) au début, au milieu et à la fin de la séquence d&#39;enregistrement. Les champs vectoriels sont composés entièrement de vecteurs de premier choix. Un petit sous-ensemble des champs de vecteurs est représenté pour plus de clarté. Les champs I V indiquent flux déplaçant de gauche à droite tout en sens inverse V &#39;. Veuillez noter que seulement chaque quatrième colonne du vecteur dans le sens horizontal est représenté pour plus de clarté. En outre, L&#39;échelle de vitesse entre le V i et les champs V &#39;est différent, comme indiqué dans le coin supérieur gauche de chaque image. <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig4.jpg" /> Figure 4. Vitesse profils horizontaux (u) à différents moments tout au long de l&#39;écoulement. Moyennée dans le temps u - profil est montré avec des cercles. Les barres d&#39;erreur figurant sur t = 0,1 msec profil sont représentatives des barres d&#39;erreur pour toutes les autres fois. L&#39;évolution dans le temps des profils u - montre une diminution du débit au cours du temps.

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High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

Une procédure pour l&#39;étude des écoulements transitoires près des limites à l&#39;aide de haute résolution, haute vitesse vélocimétrie par image de particules (PIV) est décrite ici. PIV est une technique de mesure non intrusive applicable à n&#39;importe quel flux optique accessible par l&#39;optimisation de plusieurs contraintes de paramètres tels que l&#39;image et l&#39;enregistrement des propriétés, les propriétés de la feuille de laser, et des algorithmes d&#39;analyse.

Particules à haute vitesse vélocimétrie par image de près de surfaces

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The ...

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32.9K vues.  University of Michigan. Une procédure pour l'étude des écoulements transitoires près des limites à l'aide de haute résolution, haute vitesse vélocimétrie par image de particules (PIV) est décrite ici. PIV est une technique de mesure non intrusive applicable à n'importe quel flux optique accessible par l'optimisation de plusieurs contraintes de paramètres tels que l'image et l'enregistrement des propriétés, les propriétés de la feuille de laser, et des algor...

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Echo Particle Image Velocimetry

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 Consequently, a prerequisite for understanding, predicting, and controlling fluid flows is the capability to measure the velocity field with adequate spatial and temporal resolution.2 For velocity measurements in optically opaque fluids or through optically opaque geometries, echo particle image velocimetry (EPIV) is an attractive diagnostic technique to generate "instantaneous" two-dimensional fields of velocity.3,4,5,6 In this paper, the operating protocol for an EPIV system built by integrating a commercial medical ultrasound machine7 with a PC running commercial particle image velocimetry (PIV) software8 is described, and validation measurements in Hagen-Poiseuille (i.e., laminar pipe) flow are reported.
For the EPIV measurements, a phased array probe connected to the medical ultrasound machine is used to generate a two-dimensional ultrasound image by pulsing the piezoelectric probe elements at different times. Each probe element transmits an ultrasound pulse into the fluid, and tracer particles in the fluid (either naturally occurring or seeded) reflect ultrasound echoes back to the probe where they are recorded. The amplitude of the reflected ultrasound waves and their time delay relative to transmission are used to create what is known as B-mode (brightness mode) two-dimensional ultrasound images. Specifically, the time delay is used to determine the position of the scatterer in the fluid and the amplitude is used to assign intensity to the scatterer. The time required to obtain a single B-mode image, t, is determined by the time it take to pulse all the elements of the phased array probe. For acquiring multiple B-mode images, the frame rate of the system in frames per second (fps) = 1/&delta;t. (See 9 for a review of ultrasound imaging.)
For a typical EPIV experiment, the frame rate is between 20-60 fps, depending on flow conditions, and 100-1000 B-mode images of the spatial distribution of the tracer particles in the flow are acquired. Once acquired, the B-mode ultrasound images are transmitted via an ethernet connection to the PC running the PIV commercial software. Using the PIV software, tracer particle displacement fields, D(x,y)[pixels], (where x and y denote horizontal and vertical spatial position in the ultrasound image, respectively) are acquired by applying cross correlation algorithms to successive ultrasound B-mode images.10 The velocity fields, u(x,y)[m/s], are determined from the displacements fields, knowing the time step between image pairs, &Delta;T[s], and the image magnification, M[meter/pixel], i.e., u(x,y) = MD(x,y)/&Delta;T. The time step between images &Delta;T = 1/fps + D(x,y)/B, where B[pixels/s] is the time it takes for the ultrasound probe to sweep across the image width. In the present study, M = 77[&mu;m/pixel], fps = 49.5[1/s], and B = 25,047[pixels/s]. Once acquired, the velocity fields can be analyzed to compute flow quantities of interest.

An echo particle image velocimetry (EPIV) system capable of acquiring two-dimensional fields of velocity in optically opaque fluids or through optically opaque geometries is described, and validation measurements in pipe flow are reported.

Echo vélocimétrie par images de particules

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 ...

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Ingénierie

Probing and Mapping Electrode Surfaces in Solid Oxide Fuel Cells

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen 1-7. The performance of SOFCs and the rates of many chemical and energy transformation processes in energy storage and conversion devices in general are limited primarily by charge and mass transfer along electrode surfaces and across interfaces. Unfortunately, the mechanistic understanding of these processes is still lacking, due largely to the difficulty of characterizing these processes under in situ conditions. This knowledge gap is a chief obstacle to SOFC commercialization. The development of tools for probing and mapping surface chemistries relevant to electrode reactions is vital to unraveling the mechanisms of surface processes and to achieving rational design of new electrode materials for more efficient energy storage and conversion2. Among the relatively few in situ surface analysis methods, Raman spectroscopy can be performed even with high temperatures and harsh atmospheres, making it ideal for characterizing chemical processes relevant to SOFC anode performance and degradation8-12. It can also be used alongside electrochemical measurements, potentially allowing direct correlation of electrochemistry to surface chemistry in an operating cell. Proper in situ Raman mapping measurements would be useful for pin-pointing important anode reaction mechanisms because of its sensitivity to the relevant species, including anode performance degradation through carbon deposition8, 10, 13, 14 ("coking") and sulfur poisoning11, 15 and the manner in which surface modifications stave off this degradation16. The current work demonstrates significant progress towards this capability. In addition, the family of scanning probe microscopy (SPM) techniques provides a special approach to interrogate the electrode surface with nanoscale resolution. Besides the surface topography that is routinely collected by AFM and STM, other properties such as local electronic states, ion diffusion coefficient and surface potential can also be investigated17-22. In this work, electrochemical measurements, Raman spectroscopy, and SPM were used in conjunction with a novel test electrode platform that consists of a Ni mesh electrode embedded in an yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolyte. Cell performance testing and impedance spectroscopy under fuel containing H2S was characterized, and Raman mapping was used to further elucidate the nature of sulfur poisoning. In situ Raman monitoring was used to investigate coking behavior. Finally, atomic force microscopy (AFM) and electrostatic force microscopy (EFM) were used to further visualize carbon deposition on the nanoscale. From this research, we desire to produce a more complete picture of the SOFC anode.

We present a unique platform for characterizing electrode surfaces in solid oxide fuel cells (SOFCs) that allows simultaneous performance of multiple characterization techniques (e.g. in situ Raman spectroscopy and scanning probe microscopy alongside electrochemical measurements). Complementary information from these analyses may help to advance toward a more profound understanding of electrode reaction and degradation mechanisms, providing insights into rational design of better materials for SOFCs.

Exploration et cartographie des surfaces d&#39;électrodes en piles à oxyde solide

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are potentially the most efficient and cost-effective solution to utilization of a wide variety of fuels beyond hydrogen ...

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

Fabrication de nano-oxydes conducteurs transparents conçus par ablation laser

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Monolayer Contact Doping of Silicon Surfaces and Nanowires Using Organophosphorus Compounds

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra shallow and sharp doping profiles at the nanometer scale. In MLCD process the dopant source is a monolayer containing dopant atoms.
In this article a detailed procedure for surface doping of silicon substrate as well as silicon nanowires is demonstrated. Phosphorus dopant source was formed using tetraethyl methylenediphosphonate monolayer on a silicon substrate. This monolayer containing substrate was brought to contact with a pristine intrinsic silicon target substrate and annealed while in contact. Sheet resistance of the target substrate was measured using 4 point probe. Intrinsic silicon nanowires were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) process using a vapor-liquid-solid (VLS) mechanism; gold nanoparticles were used as catalyst for nanowire growth. The nanowires were suspended in ethanol by mild sonication. This suspension was used to dropcast the nanowires on silicon substrate with a silicon nitride dielectric top layer. These nanowires were doped with phosphorus in similar manner as used for the intrinsic silicon wafer. Standard photolithography process was used to fabricate metal electrodes for the formation of nanowire based field effect transistor (NW-FET). The electrical properties of a representative nanowire device were measured by a semiconductor device analyzer and a probe station.

A detailed procedure for surface doping of Silicon interfaces is provided. The ultra-shallow surface doping is demonstrated by using phosphorus containing monolayers and rapid annealing process. The method can be used for doping of macroscopic area surfaces as well as nanostructures.

Monocouche Contactez-dopage du silicium Surfaces et nanofils utilisant des composés organophosphorés

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra ...

Visualization of High Speed Liquid Jet Impaction on a Moving Surface

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds between 0 and 25 m/sec) and a spinning disk device (for examining surface speeds between 15 and 100 m/sec). The air cannon linear traverse is a pneumatic energy-powered system that is designed to accelerate a metal rail surface mounted on top of a wooden projectile. A pressurized cylinder fitted with a solenoid valve rapidly releases pressurized air into the barrel, forcing the projectile down the cannon barrel. The projectile travels beneath a spray nozzle, which impinges a liquid jet onto its metal upper surface, and the projectile then hits a stopping mechanism. A camera records the jet impingement, and a pressure transducer records the spray nozzle backpressure. The spinning disk set-up consists of a steel disk that reaches speeds of 500 to 3,000 rpm via a variable frequency drive (VFD) motor. A spray system similar to that of the air cannon generates a liquid jet that impinges onto the spinning disc, and cameras placed at several optical access points record the jet impingement. Video recordings of jet impingement processes are recorded and examined to determine whether the outcome of impingement is splash, splatter, or deposition. The apparatuses are the first that involve the high speed impingement of low-Reynolds-number liquid jets on high speed moving surfaces. In addition to its rail industry applications, the described technique may be used for technical and industrial purposes such as steelmaking and may be relevant to high-speed 3D printing.

Two experimental devices for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device and a spinning disk device. The apparatuses are used to determine optimal approaches to the application of liquid friction modifier (LFM) onto rail tracks for top-of-rail friction control.

Visualisation de High Speed ​​Liquid Jet impaction sur une surface en mouvement

Two apparatuses for examining liquid jet impingement on a high-speed moving surface are described: an air cannon device (for examining surface speeds ...

Development of an Experimental Setup for the Measurement of the Coefficient of Restitution under Vacuum Conditions

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their behavior for single stages of a process or even an entire process. For the simulation with occurring particle-particle and particle-wall contacts, the value of the coefficient of restitution is required. It can be determined experimentally. The coefficient of restitution depends on several parameters like the impact velocity. Especially for fine particles the impact velocity depends on the air pressure and under atmospheric pressure high impact velocities cannot be reached. For this, a new experimental setup for free-fall tests under vacuum conditions is developed. The coefficient of restitution is determined with the impact and rebound velocity which are detected by a high-speed camera. To not hinder the view, the vacuum chamber is made of glass. Also a new release mechanism to drop one single particle under vacuum conditions is constructed. Due to that, all properties of the particle can be characterized beforehand.

The coefficient of restitution is a parameter that describes the loss of kinetic energy during collision. Here, a free-fall setup under vacuum conditions is developed to be able to determine the coefficient of restitution parameter for particles in micrometer range with high impact velocities.

Développement d&#39;une installation expérimentale pour la mesure du coefficient de restitution sous vide Conditions

The Discrete Element Method is used for the simulation of particulate systems to describe and analyze them, to predict and afterwards optimize their ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

Trois dimensions Velocimetry de suivi des particules pour Turbulence Applications: Cas d&#39;un débit de jet

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Evanescent Field Based Photoacoustics: Optical Property Evaluation at Surfaces

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. Optical property evaluation of thin films and the surfaces of bulk materials is an important step in understanding new optical material systems and their applications. The method presented can estimate thickness, refractive index, and use absorptive properties of materials for detection. This metrology system uses evanescent field-based photoacoustics (EFPA), a field of research based upon the interaction of an evanescent field with the photoacoustic effect. This interaction and its resulting family of techniques allow the technique to probe optical properties within a few hundred nanometers of the sample surface. This optical near field allows for the highly accurate estimation of material properties on the same scale as the field itself such as refractive index and film thickness. With the use of EFPA and its sub techniques such as total internal reflection photoacoustic spectroscopy (TIRPAS) and optical tunneling photoacoustic spectroscopy (OTPAS), it is possible to evaluate a material at the nanoscale in a consolidated instrument without the need for many instruments and experiments that may be cost prohibitive.

Here we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. This technique evanescent field-based photoacoustics can be used to create a photoacoustic metrology system to estimate materials&#39; thicknesses, bulk and thin film refractive indices, and explore their optical properties.

Evanescent terrain Photoacoustique base: évaluation de la propriété optique au niveau des surfaces

Here, we present a protocol to estimate material and surface optical properties using the photoacoustic effect combined with total internal reflection. ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as aqueous solutions and biomaterials, with fast acquisition times. Here, we discuss the assembly and operation of a Brillouin spectrometer that uses stimulated Brillouin scattering (SBS) to measure stimulated Brillouin gain (SBG) spectra of water and lipid emulsion-based tissue-like samples in transmission mode with &lt;10 MHz spectral-resolution and &lt;35 MHz Brillouin-shift measurement precision at &lt;100 ms. The spectrometer consists of two nearly counter-propagating continuous-wave (CW) narrow-linewidth lasers at 780 nm whose frequency detuning is scanned through the material Brillouin shift. By using an ultra-narrowband hot rubidium-85 vapor notch filter and a phase-sensitive detector, the signal-to-noise-ratio of the SBG signal is significantly enhanced compared to that obtained with existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables measurement of SBG spectra with up to 100-fold faster acquisition times, thereby facilitating high spectral-resolution and high-precision Brillouin analysis of soft materials at high speed.

We describe the construction of a rapid continuous-wave-stimulated-Brillouin-scattering (CW-SBS) spectrometer. The spectrometer employs single-frequency diode-lasers and an atomic vapor notch-filter to acquire transmission spectra of turbid/non-turbid samples with high spectral-resolution at speeds up to 100-fold faster than those of existing CW-SBS spectrometers. This improvement enables high-speed Brillouin material analysis.

Spectromètre à diffusion Brillouin stimulée onde continue à grande vitesse pour l’analyse des matériaux

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...