Numerosos campos em engenharia e ciências naturais envolvem problemas associados à interação de partículas fluidas. Este método fornece uma medição óptica simultânea relativamente baixa e não intrusiva de trajetórias de partículas e velocidades de fluxo. Aqui medimos as velocidades de assentamento de partículas de sedimentos em um fluxo turbulento, permitindo a caracterização detalhada das trajetórias de partículas enquanto medimos simultaneamente velocidades turbulentas no mesmo local.
Para iniciar a configuração da velocimetria da imagem de partículas, fixe um laser de pulso de alta intensidade de cabeça dupla horizontalmente nivelado em uma placa óptica, de acordo com a instalação de fluxo. Coloque uma lente cilíndrica em linha com o laser para produzir um plano de luz 2D que estará abaixo da grade oscilante. Em seguida, monte uma lente esférica após a lente cilíndrica a uma distância que irá gerar uma folha de luz de 5 a um milímetro de espessura.
Em seguida, coloque uma câmera CCD de dupla exposição perpendicular à folha de luz para gravar imagens para PIV. Conecte uma lente à câmera, ligue-a e ajuste-a para o modo livre e contínuo. Concentre-se grosseiramente na câmera PIV na turbulenta instalação de fluxo.
Ajuste a abertura e a posição da câmera até que a imagem seja menor ou próxima dos limites da folha de luz desejada. Em seguida, desligue a câmera e ligue o laser em baixa intensidade. Confirme se a folha de luz é perpendicular ao chão e, em seguida, coloque um alvo de calibração marcado com uma grade precisamente no centro da folha de luz.
É essencial garantir que a câmera PIV seja perpendicular à folha de luz e que a folha de luz seja perpendicular ao chão ou ao fundo da instalação. O desalinhamento resulta em projeções de velocidade incorretas e, portanto, erro de velocidade de fluido. Desligue o laser e ligue a câmera de volta.
Concentre a câmera no alvo de calibração e capture uma única imagem. Abra a imagem no software de processamento de imagens e confirme que o espaçamento da linha, altura e coluna são consistentes em todo o alvo. Os tamanhos dos marcadores de canto devem diferir por não mais do que um pixel e, idealmente, eles devem ser idênticos.
Se a imagem atender a esses critérios, remova o alvo de calibração. Instale a grade e execute a instalação. Em seguida, introduza cerca de uma colher de sopa cheia de partículas de rastreador PIV para o fluido.
Espere até que os rastreadores e fluido estejam bem misturados antes de continuar. Em seguida, ligue o laser e coloque-o em controle externo e alta potência. Desligue as luzes da sala e capture um par de imagens para avaliar a densidade do rastreador.
Aumente gradualmente a concentração do rastreador por colheres de chá para a densidade visual desejada. Em seguida, defina a taxa de quadros da câmera PIV para o maior valor possível e defina o tempo entre imagens PIV consecutivas. Confirme se o laser está configurado adequadamente.
Em seguida, desligue as luzes e colete dados no modo livre por alguns segundos. Cross correlaciona os pares de imagens e confirma que os dados adquiridos são de boa qualidade. Pare a oscilação da grade quando terminar.
Para começar a configurar o rastreamento de partículas 2D, coloque uma luz de linha LED monocromática sob a instalação da grade de oscilação para que a folha de luz seja centrada dentro da linha LED. Ligue a luz da linha LED e o laser em baixa potência. Confirme se a folha de luz e a luz da linha estão bem alinhadas e, em seguida, desligue-as.
Em seguida, conecte uma lente a uma câmera de alta velocidade CMOS para ser usada para rastreamento de partículas. Ligue a câmera no modo contínuo ou ao vivo gratuito, e concentre-a grosseiramente na região de interesse. Ajuste a altura e distância da abertura da câmera de rastreamento de partículas até que a região de interesse esteja com seu campo de visão e a câmera esteja nivelada e perpendicular à luz da linha.
Desligue a câmera. Acenda a luz da linha e coloque o alvo de calibração no centro da luz da linha. Em seguida, desligue a luz da linha, ligue a câmera e concentre-a no alvo.
Capture uma imagem do alvo de calibração e confirme que a câmera de rastreamento de partículas está nivelada, perpendicular ao alvo e em foco sem distorção de imagem nas bordas. Remova o alvo de calibração depois. Em seguida, defina o número de imagens de alta velocidade a serem coletadas.
Com base na velocidade de partículas esperada, defina a taxa de quadros e a resolução para valores que devem alcançar o deslocamento de partículas de três a 10 pixels entre as imagens. Instale a grade, ligue a luz da linha LED e escureça a sala. Inicie a oscilação da rede e introduza uma pequena porção das partículas de interesse no fluxo.
Quando as partículas aparecerem na câmera de alta velocidade, capture alguns quadros. É importante que as faixas de partículas sejam claramente visíveis nas imagens, indicando que as partículas permanecem em plano e não se sobrepõem frequentemente. O não cumprimento desses critérios resultará em uma incapacidade de rastrear com precisão as partículas.
Confirme que não há efeitos de entrada visíveis, a sobreposição de partículas é pouco frequente, e o movimento das partículas está principalmente no plano. Pare a oscilação quando terminar. Para iniciar a calibração final, com as luzes escurecidas coloque o alvo de calibração dentro das folhas de led e luz laser.
Desligue o laser e o LED e acenda as luzes da sala. Certifique-se de que o alvo de calibração está em foco dentro dos FOVs da câmera, e tem uma marca única visível para ambas as câmeras. Capture uma imagem do alvo de calibração em ambas as câmeras.
Observe as colocações relevantes da marca única e confirme que as câmeras ainda estão niveladas e não mostram nenhuma distorção ao redor das bordas. Em seguida, remova o alvo de calibração, instale a grade e inicie a oscilação. Deixe-o funcionar por pelo menos 20 minutos para permitir que o fluxo chegue a um estado estável.
Em seguida, escureça a sala, ligue a luz da linha LED e introduza as partículas no fluxo. Iniciar simultaneamente os pulsos de laser e a aquisição de imagens para ambos os sistemas quando as partículas aparecerem na câmera de rastreamento de partículas FOV. Quando a aquisição de dados tiver terminado, salve as imagens e pare a oscilação da grade.
Analise a distribuição da velocidade do fluxo e as trajetórias de partículas. As imagens PIV podem ser processadas em distribuições instantâneas de velocidade e vorticidade de fluidos. Aqui a distribuição de vetor de velocidade de fluido é sobreposta em um mapa de cores de vorticidade.
Com esta configuração, a magnitude da média espacial da raiz média flutuação de velocidade de fluido quadrado sobre o campo de visão PIV deve aumentar com a frequência de oscilação para componentes de velocidade horizontal e vertical. Trajetórias de partículas e velocidades podem ser determinadas a partir das imagens de rastreamento de partículas de alta velocidade. A distribuição de velocidades de partículas deve ser aproximadamente gaussiana.
Aqui, partículas de formas irregulares maiores geralmente mostravam distribuições de velocidade de partículas com desvios padrão maiores do que os das partículas menores e esféricas. Embora ambos os conjuntos de partículas mostrassem distribuições com velocidades verticais médias maiores e desvios padrão maiores à medida que a taxa de oscilação da rede aumentava. O fluxo estagnado estabelecendo velocidades de partículas sintéticas, areia industrial e areia coletada localmente determinada a partir de suas trajetórias de partículas, tudo aproximadamente acordado com as curvas dietrich.
A tendência de as partículas que se estabelecem velocidades para aumentar com a frequência de oscilação da rede foi explorada ainda mais na análise subsequente. A medição óptica simultânea tanto da cinética de partículas quanto da dinâmica dos fluidos, especificamente a turbulência, é desafiadora devido ao potencial de interferência entre as duas técnicas de imagem, resultando em imprecisões de medição. Fluxos fortemente tridimensionais não são adequados para esta técnica, pois fora dos movimentos do plano produzirá erros tanto no rastreamento 2D quanto na análise de velocimetria de partículas.
A concentração de partículas rastreadas deve ser relativamente baixa para maximizar a confiança de que a mesma partícula está sendo rastreada em imagens consecutivas. Além disso, os rastreadores PIV e as partículas que estão sendo rastreadas devem ser suficientemente diferentes em tamanho para distingui-los. A integração das informações de velocidade de fluxo com a trajetória da partícula depende do que está sendo investigado.
Por exemplo, este método também pode examinar as velocidades de fluxo em instâncias específicas ao longo da trajetória da partícula. Essa técnica foi demonstrada com transporte de sedimentos, um aplicativo para ciências do movimento, mas é relevante em muitas aplicações onde o fluxo de fluidos interage com partículas naturais ou artificiais.
