Name: three-dimensional particle tracking velocimetry for turbulence applications: case of a jet flow
Uploaded: 2016-02-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 2 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow at JoVE.com

עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה למדעי מכני והנדסה, אוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, כחלק מהחבילה סטארט-אפ של לאונרדו פ צ&#39;מורו.

<ol>
	<li>Wygnanski, I., Fiedler, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Some measurements in the self preserving jet. , (1968).</li><li>Rajaratnam, N. <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 jets. , (1976).</li><li>Panchapakesan, N., Lumley, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbulence+measurements+in+axisymmetric+jets+of+air+and+helium.+Part+1.+Air+jet.">Turbulence measurements in axisymmetric jets of air and helium. Part 1. Air jet.</a> J Fluid Mech. 246, 197-223 (1993).</li><li>Hussein, H. J., Capp, S. P., George, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+measurements+in+a+high-Reynolds-number,+momentum-conserving,+axisymmetric,+turbulent+jet.">Velocity measurements in a high-Reynolds-number, momentum-conserving, axisymmetric, turbulent jet.</a> J Fluid Mech. 258, 31-75 (1994).</li><li>Yule, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+structure+in+the+mixing+layer+of+a+round+jet.">Large-scale structure in the mixing layer of a round jet.</a> J Fluid Mech. 89, 413-432 (1978).</li><li>Yule, A., Chigier, N., Ralph, S., Boulderstone, R., Venturag, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combustion-transition+interaction+in+a+jet+flame.">Combustion-transition interaction in a jet flame.</a> AIAA Journal. 19, 752-760 (1981).</li><li>Quinn, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Upstream+nozzle+shaping+effects+on+near+field+flow+in+round+turbulent+free+jets.">Upstream nozzle shaping effects on near field flow in round turbulent free jets.</a> Eur J Mech B-Fluid. 25, 279-301 (2006).</li><li>Mi, J., Nathan, G. J., Luxton, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Centreline+mixing+characteristics+of+jets+from+nine+differently+shaped+nozzles.">Centreline mixing characteristics of jets from nine differently shaped nozzles.</a> Exp Fluids. 28, 93-94 (2000).</li><li>Liepmann, D., Gharib, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+streamwise+vorticity+in+the+near-field+entrainment+of+round+jets.">The role of streamwise vorticity in the near-field entrainment of round jets.</a> J Fluid Mech. 245, 643-668 (1992).</li><li>Oh, S. K., Shin, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+visualization+study+on+the+effect+of+forcing+amplitude+on+tone-excited+isothermal+jets+and+jet+diffusion+flames.">A visualization study on the effect of forcing amplitude on tone-excited isothermal jets and jet diffusion flames.</a> Int J Energ Res. 22, 343-354 (1998).</li><li>Cenedese, A., Doglia, G., Romano, G., De Michele, G., Tanzini, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=LDA+and+PIV+velocity+measurements+in+free+jets.">LDA and PIV velocity measurements in free jets.</a> Exp Therm Fluid Sci. 9, 125-134 (1994).</li><li>Wang, H., Peng, X., Lin, W., Pan, C., Wang, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bubble-top+jet+flow+on+microwires.">Bubble-top jet flow on microwires.</a> Int J Heat Mass Tran. 47, 2891-2900 (2004).</li><li>Shestakov, M. V., Tokarev, M. P., Markovich, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Flow+Dynamics+in+a+Turbulent+Slot+Jet:+Time-resolved+Tomographic+PIV+Measurements.">3D Flow Dynamics in a Turbulent Slot Jet: Time-resolved Tomographic PIV Measurements.</a> 17th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. , (2014).</li><li>Scarano, F., Bryon, K., Violato, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-resolved+analysis+of+circular+and+chevron+jets+transition+by+tomo-PIV.">Time-resolved analysis of circular and chevron jets transition by tomo-PIV.</a> 15th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics. , (2010).</li><li>Holzner, M., Liberzon, A., Nikitin, N., Kinzelbach, W., Tsinober, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Small-scale+aspects+of+flows+in+proximity+of+the+turbulent/nonturbulent+interface.">Small-scale aspects of flows in proximity of the turbulent/nonturbulent interface.</a> Phys Fluids. 19, 071702 (2007).</li><li>Holzner, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Lagrangian+investigation+of+the+small-scale+features+of+turbulent+entrainment+through+particle+tracking+and+direct+numerical+simulation.">A Lagrangian investigation of the small-scale features of turbulent entrainment through particle tracking and direct numerical simulation.</a> J Fluid Mech. 598, 465-475 (2008).</li><li>Chang, T. P., Wilcox, N. A., Tatterson, G. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+image+processing+to+the+analysis+of+three-dimensional+flow+fields.">Application of image processing to the analysis of three-dimensional flow fields.</a> Opt Eng. 23, 283-287 (1984).</li><li>Racca, R., Dewey, 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+method+for+automatic+particle+tracking+in+a+three-dimensional+flow+field.">A method for automatic particle tracking in a three-dimensional flow field.</a> Exp Fluids. 6, 25-32 (1988).</li><li>Maas, H. G., Gruen, D., Papantoniou, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+tracking+velocimetry+in+three-dimensional+flows.">Particle tracking velocimetry in three-dimensional flows.</a> Exp Fluids. 15, 133-146 (1993).</li><li>Kasagi, N., Matsunaga, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+particle+tracking+velocimetry+measurement+of+turbulence+statistics+and+energy+budget+in+a+backward-facing+step+flow.">Three-dimensional particle tracking velocimetry measurement of turbulence statistics and energy budget in a backward-facing step flow.</a> Int J Heat Fluid Fl. 16, 477-485 (1995).</li><li>Virant, M., Dracos, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+PTV+and+its+application+on+Lagrangian+motion.">3D PTV and its application on Lagrangian motion.</a> Meas Sci Technol. 8, 1539 (1997).</li><li>Willneff, 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> A spatio-temporal matching algorithm for 3 D particle tracking velocimetry. , (2003).</li><li>Rosi, G. A., Sherry, M., Kinzel, M., Rival, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterizing+the+lower+log+region+of+the+atmospheric+surface+layer+via+large-scale+particle+tracking+velocimetry.">Characterizing the lower log region of the atmospheric surface layer via large-scale particle tracking velocimetry.</a> Exp Fluid. 55, 1-10 (2014).</li><li>Fu, S., Biwole, P. H., Mathis, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+Tracking+Velocimetry+for+indoor+airflow+field:+A+review.">Particle Tracking Velocimetry for indoor airflow field: A review.</a> Build Environ. 87, 34-44 (2015).</li><li>Kolaas, J., Jensen, A., Mielnik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization+and+measurements+of+flows+in+micro+silicon+Y-channels.">Visualization and measurements of flows in micro silicon Y-channels.</a> Eur Phys J E. 36, 1-11 (2013).</li><li>G&#252;lan, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+of+aortic+flow+in+the+ascending+aortavia+Particle+Tracking+Velocimetry.">Experimental study of aortic flow in the ascending aortavia Particle Tracking Velocimetry.</a> Exp Fluids. 53, 1469-1485 (2012).</li><li>Mei, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+fidelity+of+flow+tracer+particles.">Velocity fidelity of flow tracer particles.</a> Exp Fluids. 22, 1-13 (1996).</li><li>Tropea, C., Yarin, A. L., Foss, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Springer handbook of experimental fluid mechanics. 1, (2007).</li><li>Melling, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tracer+particles+and+seeding+for+particle+image+velocimetry.">Tracer particles and seeding for particle image velocimetry.</a> Meas Sci Technol. 8, 1406 (1997).</li><li>Hering, F., Leue, C., Wierzimok, D., J&#228;hne, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+tracking+velocimetry+beneath+water+waves.+Part+I:+visualization+and+tracking+algorithms.">Particle tracking velocimetry beneath water waves. Part I: visualization and tracking algorithms.</a> Exp Fluids. 23, 472-482 (1997).</li><li>Biferale, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lagrangian+structure+functions+in+turbulence:+A+quantitative+comparison+between+experiment+and+direct+numerical+simulation.">Lagrangian structure functions in turbulence: A quantitative comparison between experiment and direct numerical simulation.</a> Phys Fluids. 20, 065103 (2008).</li><li>L&#252;thi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lagrangian+measurement+of+vorticity+dynamics+in+turbulent+flow.">Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow.</a> J Fluid mech. 528, 87-118 (2005).</li><li>Hoyer, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3d+scanning+particle+tracking+velocimetry.">3d scanning particle tracking velocimetry.</a> Exp Fluids. 39, 923-934 (2005).</li><li>Kim, J. -. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Three-dimensional particle tracking velocimetry for turbulence applications. , (2015).</li><li>L&#252;thi, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Some+aspects+of+strain,+vorticity+and+material+element+dynamics+as+measured+with+3D+particle+tracking+velocimetry+in+a+turbulent+flow.">Some aspects of strain, vorticity and material element dynamics as measured with 3D particle tracking velocimetry in a turbulent flow.</a> ETH Z&#252;rich. , (2002).</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. , (2000).</li></ol>

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרס כלכלי מתחרים.

<html> יש 3D-PTV פוטנציאל גדול לפרום את המורכבים בפיזיקה של מגוון של זרימה טורבולנטית כגון תנועות סוערות בקנה מידה גדולה באטמוספרה התחתונה 25, פיזור אוויר מקורה 26, או תזרים pulsatile בטופולוגיה אבי עורקי 28 בקרב רבים אחרים. עם זאת, הבנה של היתרונות והמגבלות שלו, ?...

תזרימי סילון סוערים נמצאים בכל מקום יישומים הנדסיים. אפיון מפורט של תזרים כזה הוא חיוני במגוון רחב של בעיות מעשיות פורשות ממערכות פריקות סביבתית בקנה מידה גדולה להתקני מייקרו בקנה מידה אלקטרוניים. בגלל השפעתו על מספר רחב של יישומים, תזרימי סילון נחקרו לעומק 1 - 4. כמה שיטות ניסיוניות, כולל Hotwire anemometry 4 - 8, לייזר דופלר velocimetry (LDV) 4, 9 - 12, ו velocimetry תמונה החלקיקים (PIV) 12 - 16, שימשו לאפיין סילון זורם במגוון רחב של מספרים ריינולדס הגבול תנאים. לאחרונה, כמה מחקרים נעשו באמצעות 3D-PTV ללמוד ממשק הסוער / הלא הסוערים של סילון זורם 17, 18. 3D-PTV היא טכניקה במיוחד מתאימה לתיאור fi המורכב הסוערשדות מנקודת מבט שונה. היא מאפשרת שחזור של מסלולי החלקיקים בתוך נפח בתוך מסגרת לגרנג של התייחסות באמצעות הסטריאוסקופיה רב להציג. הטכניקה הוצגה לראשונה על ידי צ&#39;אנג 19 פיתוח נוסף על ידי Racca ו דיואי 20. מאז, שיפורים רבים נעשו על אלגוריתם 3D-PTV והתקנת ניסיון של 21 - 24. עם הישגים אלה עבודות קודמות, המערכת שמשה בהצלחה ללמוד תופעות שונות נוזלות כמו ותנועה חלקה בקנה מידה גדולה בתחום של 4 MX 2 MX 2 מ &#39;25, שדה זרימת אוויר מקורה 26, pulsatile זורם 27 ודם אב עורקי תזרים 28 . עיקרון העבודה של מדידת 3D-PTV מורכב הגדרת מערכת לאיסוף וניתוח נתונים, הקלטה / טרום עיבוד, כיול, התכתבויות 3D, מעקב זמני שלאחר עיבוד. כיול מדויק מאפשר איתור מדויק של מיקום חלקיקיםים. ההתכתבות של החלקיקים זוהו יותר משלושה נופי תמונה מאפשרת לבנייה מחדש של עמדת חלקיקי 3D מבוססת על גיאומטרית epipolar. הצמדה ממסגר תמונה ברציפות לגרום מעקב זמני המגדיר את ים מסלולי חלקיקים (t). אופטימיזציה של מערכת 3D-PTV חיוני על מנת למקסם את הסיכוי של עקיבות רב-חלקיק. צעד הראשון של אופטימיזציה הוא לרכוש מערכת לאיסוף וניתוח נתונים מתאימה כוללים מצלמות מהירות גבוהה, מקור תאורה ותכונות של חלקיקי זריעה. החלטת המצלמה יחד עם הגודל של נפח החקירה מגדירה את גודל פיקסל, ולכן גודל חלקיקי זריעת הנדרש, אשר צריך להיות גדולים יותר מאשר פיקסל בודד. Centroids של חלקיקים זוהו נאמד עם תת פיקסלים דיוק לפי המיקום הממוצע של פיקסלים חלקיקים המשוקללים לפי בהירות 21. קצב הפריימים של המצלמה מקרוב associatאד עם מספר ריינולדס ואת היכולת לקשר חלקיקים זוהו. קצב פריימים גבוה מאפשר לפתרון תזרים מהר או מספר גדול יותר של חלקיקים מאז המעקב הופך להיות קשה יותר כאשר התזוזה מתכוון בין תמונות חורגת ההפרדה הממוצעת של החלקיקים. מהירות צמצם, צמצם ורגישות הם שלושה גורמים שיש להביא בחשבון את לכידת התמונה. מהירות צמצם צריכה להיות מהירה מספיק כדי למזער טשטוש סביב חלקיק, אשר מקטין את אי הוודאות של עמדת centroid החלקיקים. צמצם מצלמה צריך להיות מותאם עומק השדה של נפח החקירה לצמצם את ההסתברות לגילוי חלקיקים מחוץ הנפח. מאז הרגישות המרבית של מצלמה מקובעת, כמו עליות מסגרת דולר, האור הדרוש כדי להאיר את החלקיקים צריכים להגדיל בהתאם. בניגוד PIV, הגדרות אופטיות מורכבות ולייזרי הספק גבוה אינן נדרשים אך ורק 3D-PTV, כל עוד מקור האור הוא מספיק סקאטאפריקניות מהחלקיקים נותבו למצלמה. נורות LED או הלוגן רציף הן אפשרויות טובות חסכונית העוקפים את הצורך של סנכרון 21. ב -3 D-PTV, כמו שיטות מדידת זרימה אופטית אחרות, מהירויות חלקיקים נותבו הנחה הוא להיות מהירות הנוזל המקומית המיידית 29. עם זאת, זה רק במקרה של קליעים נותבים אידיאליים של קוטר null אינרציה; חלקיקים נותבו צריכים להיות גדולים מספיק כדי לנפול בפח על ידי מצלמה. הנאמנות של חלקיק סופי יכול להיקבע על ידי t S מספר סטוקס, כלומר היחס של הסקאלה זמן הרפיה של חלקיקים ולוח הזמנים של מבנים הסוערים של עניין. באופן כללי, S T צריך להיות קטן יותר באופן משמעותי מאשר 1. t S ≤0.1 שגיאות מעקב תזרים הם מתחת ל -1% 30. דיון מעמיק ניתן למצוא מיי ואח 29 -. 31 </sup&gt;. גודל חלקיקים מומלץ עבור ניסוי 3D-PTV משתנה בהתאם למקור האור רגיש מצלמה. עם הלוגן או נורות LED כמקורות תאורה, חלקיקים גדולים יותר יחסית משמשים (למשל 50-200 מיקרומטר) 32, ואילו חלקיקים קטנים (למשל 1-50 מיקרומטר) 33, 34 ניתן להשתמש עם לייזר בהספק גבוה (למשל 80-100 ווטס לייזר CW). חלקיקים עם רפלקטיביות גבוהה עבור אור באורך גל מסוים, כמו כסף מצופה תחת אור הלוגן, יכול להגביר את חותמם לתמונה. צפיפות הזריעה היא עוד פרמטר חשוב עבור מדידה 3D-PTV מוצלחת. חלקיקים מעטים לגרום למספר הנמוך של מסלולים, תוך מספר מוגזם של חלקיקים לגרום אי בהיר בהקמת תכתובות ומעקב אחר. בהירויות בהקמת התכתבויות כוללות חלקיקים חופפים באיתור מועמדים מרובים לאורך קו epipolar המוגדר. בתהליך המעקב, העמימות עקב seedin גבוהה<html> צפיפות g היא התרחשה בגלל ההפרדה הקצרה יחסית הממוצעת של חלקיקים. הצעד השני הוא הגדרות אופטימליות בהקלטה / טרום עיבוד כדי לשפר את איכות התמונה. הגדרות צילום, כגון רווח &amp; רמה שחורה (G &amp; B), ממלא תפקיד חשוב בשיפור איכות התמונה. רמת שחור מגדירה את רמת הבהירות בחלק החשוך ביותר של תמונה, ואילו רווח מגביר את הבהירות של תמונה. שינויים קלים של רמות G &amp; B יכולים להשפיע על הסיכוי של עקיבות משמעותיות. למעשה, גבוה G &amp; B עשוי יתר להאיר תמונה ולבסוף לפגוע חיישן המצלמה. כדי להמחיש זאת, ההשפעה של רמות G &amp; B על שחזור זרימת נבחנת במאמר זה. בשלב טרום העיבוד, התמונות מסוננות עם מסנן גבוה לעבור להדגיש פיזור אור מחלקיקים. גודל פיקסל ו גוני האפור מותאמים על מנת למקסם את גילוי חלקיקים בתוך נפח החקירה. t &quot;&gt; שלב שלישי של אופטימיזציה הוא כיול מדויק של ההדמיה סטריאוסקופית, אשר מבוססת על גיאומטרית epipolar, פרמטרי מצלמה (אורך מוקד, נקודת עיקרון, ומקדמי עיוות), ושינויים קדם שבירים. תהליך זה הוא הכרחי על מנת למזער את 3D שגיאת השחזור של נקודות יעד fiducial. גיאומטרית Epipolar משתמשת מרחקים יחסיים (בין תמונה ועוצמת קול חקירה) וזווית מוטה מתמונת היעד. שינויים שבירים לאורך תצוגת המצלמה דרך היקף החקירה יכולים להילקח בחשבון מבוסס על ההליך של Mass et al. 21. בניסוי זה, מבנה 3D מדרגות דמויות עם נקודות יעד מופצות באופן קבוע משמש כמטרה. בניסוי 3D-PTV, אם כי רק שתי תמונות נדרשות לקבוע עמדת חלקיקי 3D, בדרך כלל יותר מצלמות משמשות להפחתת בהירויות 21. חלופת setups היקר עם מצלמות מהירות גבוהה מרובות היא viמפצל EW, המוצע על ידי ואח Hoyer. 35 לשימושם של 3D-PTV ויישומי לאחרונה על ידי Gulean et al. 28 עבור יישומים ביו. ספליטר הנוף מורכב מראה בצורת פירמידה (hereon מראה ראשוני) וארבעה מראות מתכווננות (hereon מראה משנית). בעבודה זו, מפצל ארבעה להציג מצלמה אחת שמשו לחקות את ההדמיה סטריאוסקופית מארבע מצלמות. המערכת משמשת לאפיין את שדה הזרימה ביניים של מטוס צינור בקוטר, ד h = 1 ס&quot;מ ו Re ≈ 7,000 מתוך לגרנג ו Eulerian מסגרות בסביבות 14.5-18.5 בקטרים ​​במורד מהראשית סילון.

<table><tbody><tr><td>Mikrotron 4CXP 4 lanes CXP-6 CoaXPress</td><td>ImageOps</td><td>CAMMC4082</td><td>High-speed camera</td></tr><tr><td>Active Silicon FireBird CoaX Frame Grabber</td><td>ImageOps</td><td>FBD-4XCXP6</td><td>Frame Grabber</td></tr><tr><td>100 &amp;mu;m silver-coated hollow ceramic spheres</td><td>Potters Industries LLC</td><td>AG-SL150-30-TRD</td><td>Seeding Paritcles</td></tr><tr><td>StreamPix6</td><td>Upstate Technical Equipment CO.,INC</td><td>MISNOR-STP-6-S-CL</td><td>Camera appliation</td></tr><tr><td>Four-view splitter</td><td>Photrack AG</td><td></td><td>Customized part and necessary if performing 3D-PTV with one camera</td></tr><tr><td>250 Watts Spotlight Halogen</td><td>General Electrics</td><td>23719</td><td>Light source</td></tr><tr><td>OpenPTV (Software)</td><td>OpenPTV (http://www.openptv.net)</td><td></td><td>Open source particle tracking software (Note: available as a service for anyone who wants to use it without all the installation mess or computer power availability problems).</td></tr></tbody></table>

three-dimensional particle tracking velocimetry for turbulence applications: case of a jet flow

3D-PTV היא טכניקת מדידת זרימת כמותית אשר נועדה לעקוב אחר הנתיבים לגרנג של קבוצה של חלקיקים בשלושה ממדים באמצעות הקלטה סטריאוסקופית של רצפי תמונות. הכלי בסיסי רכיבים, תכונות, אילוצי טיפים לאופטימיזציה של טופולוגיה 3D-PTV המורכב מצלמה במהירות גבוהה עם מפצל ארבעה-נוף מתואר שנדון במאמר זה. הטכניקה מוחלת על שדה זרימת ביניים (5 &lt;x / d &lt;25) של מטוס מעגלי Re ≈ 7,000. תכונות זרימה לגרנג וכמויות מערבולת בתוך מסגרת Eulerian נאמדות בסביבות עשרה בקטרים ​​במורד זרם של מוצא סילון במרחקים רדיאלי שונים מליבת הסילון. נכסים לגרנג כוללים מסלול, מהירות ותאוצה של חלקיקים נבחרים כמו גם העקמומיות של נתיב הזרימה, אשר מתקבלים מן המשוואה Frenet-Serret. הערכה בתחומי המהירות והטורבולנטיות 3D סביב ציר ליבת סילון בכל מטוס חוצה הממוקם בעשרבקטרים ​​במורד זרם של המטוס הוא לעומת ספרות, ואת ספקטרום ההספק של התנועות המהירות streamwise בקנה המידה הגדולה מתקבל במרחקים רדיאלי שונים מליבת הסילון.

תצלום ו סכמטית של ההתקנה מוצגים איורים 1 ו -2. יעד הכיול, סימני fiducial משתקפים על ספליטר-הנוף ושחזור כיול 3D הם באיור 3. ה- RMS של אזורי הכיול המוכרים הוא 7.3 מיקרומטר, 5.7 מיקרומטר ו 141.7 מיקרומטר x streamwise, spanwise y, וכיוו...

Watch this Scientific Journal Video about Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow at JoVE.com

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

Velocimetry מעקב חלקיקים תלת ממדי (3D-PTV) מערכת המבוססת על מצלמה במהירות גבוהה עם מפצל ארבעה-נוף מתוארת כאן. הטכניקה מוחלת על זרימת סילון מצינור עגול בקרבת עשר בקטרים ​​במורד בבית מספר ריינולדס Re 7,000 ≈.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של 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 ...

three-dimensional-particle-tracking-velocimetry-for-turbulence

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Civil Engineering

Unit 1

Flow in Pipes

Motion in Two or Three Dimensions

SCIENTISTS IN ACTION

12.1K Views.  University of Illinois at Urbana-Champaign.  Velocimetry מעקב חלקיקים תלת ממדי (3D-PTV) מערכת המבוססת על מצלמה במהירות גבוהה עם מפצל ארבעה-נוף מתוארת כאן. הטכניקה מוחלת על זרימת סילון מצינור עגול בקרבת עשר בקטרים ​​במורד בבית מספר ריינולדס Re 7,000 ≈. 

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

Determining 3D Flow Fields via Multi-camera Light Field Imaging

In the field of fluid mechanics, the resolution of computational schemes has outpaced experimental methods and widened the gap between predicted and observed phenomena in fluid flows. Thus, a need exists for an accessible method capable of resolving three-dimensional (3D) data sets for a range of problems. We present a novel technique for performing quantitative 3D imaging of many types of flow fields. The 3D technique enables investigation of complicated velocity fields and bubbly flows. Measurements of these types present a variety of challenges to the instrument. For instance, optically dense bubbly multiphase flows cannot be readily imaged by traditional, non-invasive flow measurement techniques due to the bubbles occluding optical access to the interior regions of the volume of interest. By using Light Field Imaging we are able to reparameterize images captured by an array of cameras to reconstruct a 3D volumetric map for every time instance, despite partial occlusions in the volume. The technique makes use of an algorithm known as synthetic aperture (SA) refocusing, whereby a 3D focal stack is generated by combining images from several cameras post-capture 1. Light Field Imaging allows for the capture of angular as well as spatial information about the light rays, and hence enables 3D scene reconstruction. Quantitative information can then be extracted from the 3D reconstructions using a variety of processing algorithms. In particular, we have developed measurement methods based on Light Field Imaging for performing 3D particle image velocimetry (PIV), extracting bubbles in a 3D field and tracking the boundary of a flickering flame. We present the fundamentals of the Light Field Imaging methodology in the context of our setup for performing 3DPIV of the airflow passing over a set of synthetic vocal folds, and show representative results from application of the technique to a bubble-entraining plunging jet.

A technique for performing quantitative three-dimensional (3D) imaging for a range of fluid flows is presented. Using concepts from the area of Light Field Imaging, we reconstruct 3D volumes from arrays of images. Our 3D results span a broad range including velocity fields and multi-phase bubble size distributions.

קביעת שדות זרימה 3D באמצעות מצלמה מרובה אור תחום הדמיה

In the field of fluid mechanics, the resolution of computational schemes has outpaced experimental methods and widened the gap between predicted and ...

High-speed Particle Image Velocimetry Near 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 complex nature of these flows may be studied using particle image velocimetry (PIV), a laser-based imaging technique for optically accessible flows. Though many forms of PIV exist that extend the technique beyond the original planar two-component velocity measurement capabilities, the basic PIV system consists of a light source (laser), a camera, tracer particles, and analysis algorithms. The imaging and recording parameters, the light source, and the algorithms are adjusted to optimize the recording for the flow of interest and obtain valid velocity data. 
Common PIV investigations measure two-component velocities in a plane at a few frames per second. However, recent developments in instrumentation have facilitated high-frame rate (&gt; 1 kHz) measurements capable of resolving transient flows with high temporal resolution. Therefore, high-frame rate measurements have enabled investigations on the evolution of the structure and dynamics of highly transient flows. These investigations play a critical role in understanding the fundamental physics of complex flows.
A detailed description for performing high-resolution, high-speed planar PIV to study a transient flow near the surface of a flat plate is presented here. Details for adjusting the parameter constraints such as image and recording properties, the laser sheet properties, and processing algorithms to adapt PIV for any flow of interest are included.

A procedure for studying transient flows near boundaries using high-resolution, high-speed particle image velocimetry (PIV) is described here. PIV is a non-intrusive measurement technique applicable to any optically accessible flow by optimizing several parameter constraints such as the image and recording properties, the laser sheet properties, and analysis algorithms.

Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

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 ...

Image-based Lagrangian Particle Tracking in Bed-load Experiments

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a relatively low cost. This manuscript describes an application of particle tracking velocimetry (PTV) to a bed-load experiment with lightweight sediment. The key characteristics of the investigated sediment transport conditions were the presence of a covered flow and of a fixed rough bed above which particles were released in limited number at the flume inlet. Under the applied flow conditions, the motion of the individual bed-load particles was intermittent, with alternating movement and stillness terms. The flow pattern was preliminarily characterized by acoustic measurements of vertical profiles of the stream-wise velocity. During process visualization, a large field of view was obtained using two action-cameras placed at different locations along the flume. The experimental protocol is described in terms of channel calibration, experiment realization, image pre-processing, automatic particle tracking, and post-processing of particle track data from the two cameras. The presented proof-of-concept results include probability distributions of the particle hop length and duration. The achievements of this work are compared to those of existing literature to demonstrate the validity of the protocol.

The manuscript presents a protocol for the conduction of bed-load sediment transport experiments where the moving particles are tracked by image analysis. The experimental facility, the procedures for run realization and data processing, and finally some proof-of-concept results are presented here.

תמונה מבוססי Lagrangian החלקיקים מעקב בניסויי מיטה לטעון

Image analysis has been increasingly used for the measurement of river flows due to its capabilities to furnish detailed quantitative depictions at a ...

Environment

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing technology is used to fabricate particles with slender arms connected at a common center. Shapes explored are crosses (two perpendicular rods), jacks (three perpendicular rods), triads (three rods in triangular planar symmetry), and tetrads (four arms in tetrahedral symmetry). Methods for producing on the order of 10,000 fluorescently dyed particles are described. Time-resolved measurements of their orientation and solid-body rotation rate are obtained from four synchronized videos of their motion in a turbulent flow between oscillating grids with R&#955; = 91. In this relatively low-Reynolds number flow, the advected particles are small enough that they approximate ellipsoidal tracer particles. We present results of time-resolved 3D trajectories of position and orientation of the particles as well as measurements of their rotation rates.

We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.

שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

Micro-particle Image Velocimetry for Velocity Profile Measurements of Micro Blood Flows

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows. The images are cross-correlated to give an accurate velocity profile. A protocol is presented for &mu;PIV measurements of blood flows in microchannels. At the scale of the microcirculation, blood cannot be considered a homogeneous fluid, as it is a suspension of flexible particles suspended in plasma, a Newtonian fluid. Shear rate, maximum velocity, velocity profile shape, and flow rate can be derived from these measurements. Several key parameters such as focal depth, particle concentration, and system compliance, are presented in order to ensure accurate, useful data along with examples and representative results for various hematocrits and flow conditions.

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows which are cross-correlated to give an accurate velocity profile. Shear rate, maximum velocity, velocity profile shape, and flow rate, each of which has clinical applications, can be derived from these measurements.

Velocimetry תמונת מיקרו חלקיקים למדידות בפרופיל מהירות של מיקרו זורם דם

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows. The images are cross-correlated to ...

Bioengineering

Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods

It is well known that the flow field over a delta wing is dominated by a pair of counter rotating leading edge vortices (LEV). However, their mechanism is not well understood. The flow visualization technique is a promising non-intrusive method to illustrate the complex flow field spatially and temporally. A basic flow visualization setup consists of a high-powered laser and optic lenses to generate the laser sheet, a camera, a tracer particle generator, and a data processor. The wind tunnel setup, the specifications of devices involved, and the corresponding parameter settings are dependent on the flow features to be obtained.
Normal smoke wire flow visualization uses a smoke wire to demonstrate the flow streaklines. However, the performance of this method is limited by poor spatial resolution when it is conducted in a complex flow field. Therefore, an improved smoke flow visualization technique has been developed. This technique illustrates the large-scale global LEV flow field and the small-scale shear layer flow structure at the same time, providing a valuable reference for later detailed particle image velocimetry (PIV) measurement.
In this paper, the application of the improved smoke flow visualization and PIV measurement to study the unsteady flow phenomena over a delta wing is demonstrated. The procedure and cautions for conducting the experiment are listed, including wind tunnel setup, data acquisition, and data processing. The representative results show that these two flow visualization methods are effective techniques for investigating the three-dimensional flow field qualitatively and quantitatively.

Here, we present a protocol to observe unsteady vortical flows over a delta wing using a modified smoke flow visualization technique and investigate the mechanism responsible for the oscillations of the leading-edge vortex breakdown locations.

חקירה נסיונית של מבנה הזרימה מעל כנף דלתא באמצעות שיטות הדמיה זרימה

It is well known that the flow field over a delta wing is dominated by a pair of counter rotating leading edge vortices (LEV). However, their mechanism is ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine micro-organisms, and/or sediments in the ocean, or fluidized bed reactors and combustion processes in engineered systems. In order to study the effect of turbulence on the kinematics of particles in such flows, simultaneous measurements of both the flow and particle kinematics are required. Non-intrusive, optical flow measurement techniques for measuring turbulence, or for tracking particles, exist but measuring both simultaneously can be challenging due to interference between the techniques. The method presented herein provides a low cost and relatively simple method to make simultaneous measurements of the flow and particle kinematics. A cross section of the flow is measured using a particle image velocimetry (PIV) technique, which provides two components of velocity in the measurement plane. This technique utilizes a pulsed-laser for illumination of the seeded flow field that is imaged by a digital camera. The particle kinematics are simultaneously imaged using a light emitting diode (LED) line light that illuminates a planar cross section of the flow that overlaps with the PIV field-of-view (FOV). The line light is of low enough power that it does not affect the PIV measurements, but powerful enough to illuminate the larger particles of interest imaged using the high-speed camera. High-speed images that contain the laser pulses from the PIV technique are easily filtered by examining the summed intensity level of each high-speed image. By making the frame rate of the high-speed camera incommensurate with that of the PIV camera frame rate, the number of contaminated frames in the high-speed time series can be minimized. The technique is suitable for mean flows that are predominantly two-dimensional, contain particles that are at least 5 times the mean diameter of the PIV seeding tracers, and are low in concentration.

The technique described herein offers a low cost and relatively simple method to simultaneously measure particle kinematics and turbulence in flows with low particle concentrations. The turbulence is measured using particle image velocimetry (PIV), and particle kinematics are calculated from images obtained with a high-speed camera in an overlapping field-of-view.

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

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Particle Image Velocimetry Investigation of Hemodynamics via Aortic Phantom

Aortic valve dysfunction and stroke have recently been reported in transcatheter aortic valve implantation (TAVI) patients. Thrombus in the aortic sinus and neo-sinus due to hemodynamic changes has been suspected. In vitro experiments help investigate the hemodynamic characteristics in the cases where an in vivo assessment proves to be limited. In vitro experiments are also more robust, and the variable parameters are controlled readily. Particle image velocimetry (PIV) is a popular velocimetry method for in vitro studies. It provides a high-resolution velocity field such that even small-scale flow features are observed. The purpose of this study is to show how PIV is used to investigate the flow field in the aortic sinus after TAVI. The in vitro setup of the aortic phantom, TAVI for PIV, and the data acquisition process and post-processing flow analysis are described. The hemodynamic parameters are derived, including the velocity, flow stasis, vortex, vorticity, and particle residence. The results confirm that in vitro experiments and PIV help investigate the hemodynamic features in the aortic sinus.

Particle Image Velocimetry Investigation of Hemodynamics via Aortic Phantom

The present protocol describes particle image velocimetry (PIV) measurements performed to investigate the sinus flow through the in vitro setup of the transcatheter aortic valve (TAV). The hemodynamic parameters based on velocity are also determined.

תמונת חלקיקים Velocimetry חקירה של המודינמיקה באמצעות פנטום אבי העורקים

Aortic valve dysfunction and stroke have recently been reported in transcatheter aortic valve implantation (TAVI) patients. Thrombus in the aortic sinus ...

A Protocol for Real-time 3D Single Particle Tracking

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although various RT-3D-SPT methods have been put forward in recent years, tracking high speed 3D diffusing particles at low photon count rates remains a challenge. Moreover, RT-3D-SPT setups are generally complex and difficult to implement, limiting their widespread application to biological problems. This protocol presents a RT-3D-SPT system named 3D Dynamic Photon Localization Tracking (3D-DyPLoT), which can track particles with high diffusive speed (up to 20 &#181;m2/s) at low photon count rates (down to 10 kHz). 3D-DyPLoT employs a 2D electro-optic deflector (2D-EOD) and a tunable acoustic gradient (TAG) lens to drive a single focused laser spot dynamically in 3D. Combined with an optimized position estimation algorithm, 3D-DyPLoT can lock onto single particles with high tracking speed and high localization precision. Owing to the single excitation and single detection path layout, 3D-DyPLoT is robust and easy to set up. This protocol discusses how to build 3D-DyPLoT step by step. First, the optical layout is described. Next, the system is calibrated and optimized by raster scanning a 190 nm fluorescent bead with the piezoelectric nanopositioner. Finally, to demonstrate real-time 3D tracking ability, 110 nm fluorescent beads are tracked in water.

This protocol details the construction and operation of a real-time 3D single particle tracking microscope capable of tracking nanoscale fluorescent probes at high diffusive speeds and low photon count rates.

פרוטוקול לצורך מעקב בזמן אמת 3D חלקיק יחיד

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although ...

Meso-Scale Particle Image Velocimetry Studies of Neurovascular Flows In Vitro

Particle image velocimetry (PIV) is used in a wide variety of fields, due to the opportunity it provides for precisely visualizing and quantifying flows across a large spatiotemporal range. However, its implementation typically requires the use of expensive and specialized instrumentation, which limits its broader utility. Moreover, within the field of bioengineering, in vitro flow visualization studies are also often further limited by the high cost of commercially sourced tissue phantoms that recapitulate desired anatomical structures, particularly for those that span the mesoscale regime (i.e., submillimeter to millimeter length scales). Herein, we present a simplified experimental protocol developed to address these limitations, the key elements of which include 1) a relatively low-cost method for fabricating mesoscale tissue phantoms using 3-D printing and silicone casting, and 2) an open-source image analysis and processing framework that reduces the demand upon the instrumentation for measuring mesoscale flows (i.e., velocities up to tens of millimeters/second). Collectively, this lowers the barrier to entry for nonexperts, by leveraging resources already at the disposal of many bioengineering researchers. We demonstratethe applicability of this protocol within the context of neurovascular flow characterization; however, it is expected to be relevant to a broader range of mesoscale applications in bioengineering and beyond.

Meso-Scale Particle Image Velocimetry Studies of Neurovascular Flows In Vitro

Here we present simplified methods for fabricating transparent neurovascular phantoms and characterizing the flow therein. We highlight several important parameters and demonstrate their relationship to field accuracy.

Meso-גודל החלקיקים תמונה Velocimetry מחקרים של נוירו-וסקולריים זורם במבחנה

Particle image velocimetry (PIV) is used in a wide variety of fields, due to the opportunity it provides for precisely visualizing and quantifying flows ...