Name: simultaneous measurement of turbulence and particle kinematics using flow imaging techniques
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00
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这项工作的部分内容得到了 ii-vi 基金会和南卡罗来纳州海岸专业增强赠款的支持。我们还要感谢科琳·雅各布斯、马里克·詹德拉斯克和威廉·梅钱特在实验设置方面的帮助。

注: 所有人员都应接受第四类激光的安全使用和操作以及手部和电动工具的安全使用和操作方面的培训。
1. 实验设置
<ol><li>piv 设置
	<ol><li>设置双头激光和光学元件。<ol>
<li>将激光放在光学板上。将激光相对于设施的底部 (如果希望垂直速度与重力加速度对齐, 则相对于地面) 进行水平调整, 并将激光束与要成像的二维平面的中心垂直对齐。</li>
			<li>将圆柱形透镜...

<ol>
	<li>Maxey, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+gravitational+settling+of+aerosol+particles+in+homogeneous+turbulence+and+random+flow+fields.">The gravitational settling of aerosol particles in homogeneous turbulence and random flow fields.</a> Journal of Fluid Mechanics. 174, 441-465 (1987).</li><li>Good, G. H., Ireland, P. J., Bewley, G. P., Bodenschatz, E., Collins, L. R., Warhaft, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Settling+regimes+of+inertial+particles+in+isotropic+turbulence.">Settling regimes of inertial particles in isotropic turbulence.</a> Journal of Fluid Mechanics. 759, R3 (2014).</li><li>Ha, H. K., Maa, J. P. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+suspended+sediment+concentration+and+turbulence+on+settling+velocity+of+cohesive+sediment.">Effects of suspended sediment concentration and turbulence on settling velocity of cohesive sediment.</a> Geosciences Journal. 14 (2), 163-171 (2010).</li><li>Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S. T., Kompenhans, 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: A practical guide. , (2007).</li><li>Lu, 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+particle+image+velocimetry+near+surfaces.">High-speed particle image velocimetry near surfaces.</a> Journal of Visualized Experiments. 76, e50559 (2013).</li><li>Yang, T. S., Shy, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+settling+velocity+of+heavy+particles+in+an+aqueous+near-isotropic+turbulence.">The settling velocity of heavy particles in an aqueous near-isotropic turbulence.</a> Physics of Fluids. 15 (4), 868-880 (2003).</li><li>Jacobs, C. N., Merchant, W., Jendrassak, M., Limpasuvan, V., Gurka, R., Hackett, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+scales+of+influence+on+the+settling+velocities+of+particles+with+varying+characteristics.">Flow scales of influence on the settling velocities of particles with varying characteristics.</a> PLoS One. 11 (8), 0159645 (2016).</li><li>Murray, S. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Settling+velocities+and+vertical+diffusion+of+particles+in+turbulent+water.">Settling velocities and vertical diffusion of particles in turbulent water.</a> Journal of Geophysical Research. 75 (9), 1647-1654 (1970).</li><li>Nielsen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbulence+effects+on+the+settling+of+suspended+particles.">Turbulence effects on the settling of suspended particles.</a> Journal of Sedimentary Research. 63 (5), 835-838 (1993).</li><li>Kawanisi, K., Shiozaki, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbulent+effects+on+the+settling+velocity+of+suspended+sediment.">Turbulent effects on the settling velocity of suspended sediment.</a> Journal of Hydraulic Engineering. 134 (2), 261-266 (2008).</li><li>Maxey, M. R., Corrsin, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gravitational+settling+of+aerosol+particles+in+randomly+oriented+cellular+flow+fields.">Gravitational settling of aerosol particles in randomly oriented cellular flow fields.</a> Journal of the Atmospheric Sciences. 43, 1112-1134 (1986).</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> Measurement Science and Technology. 8 (12), 1406-1416 (1997).</li><li>Hadad, T., Gurka, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+particle+size,+concentration+and+surface+coating+on+turbulent+flow+properties+obtained+using+PIV/PTV.">Effects of particle size, concentration and surface coating on turbulent flow properties obtained using PIV/PTV.</a> Experimental Thermal and Fluid Science. 45, 203-212 (2013).</li><li>Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle-imaging+techniques+for+experimental+fluid+mechanics.">Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics.</a> Annual Review of Fluid Mechanics. 23 (1), 261-304 (1991).</li><li>Shy, S. S., Tang, C. Y., Fann, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+nearly+isotropic+turbulence+generated+by+a+pair+of+vibrating+grids.">A nearly isotropic turbulence generated by a pair of vibrating grids.</a> Experimental Thermal and Fluid Science. 14 (3), 251-262 (1997).</li><li>Dietrich, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Settling+velocity+of+natural+particles.">Settling velocity of natural particles.</a> Water Resources Research. 18 (6), 1615-1626 (1982).</li><li>Huang, H., Dabiri, 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=On+errors+of+digital+particle+image+velocimetry.">On errors of digital particle image velocimetry.</a> Measurement Science and Technology. 8 (12), 1427 (1997).</li></ol>

本文所描述的方法相对便宜, 为同时测量粒子轨迹和湍流以检验流动对粒子运动学的影响提供了一种简单的方法。值得一提的是, 强烈三维的流动或粒子运动并不适合这种技术。平面外运动将导致二维跟踪和 piv 分析中的错误17 , 应尽量减少。此外, 该方法要求跟踪粒子的浓度相对较低 (每张 pt 图像的粒重比数个)。为了最大限度地保证在连续的图像中跟踪相同的粒子, 此限制非常重...

在科学和工程领域都有大量的应用, 涉及湍流中粒子的行为, 例如大气中的气溶胶、工程系统中的污染物和沉积物以及海洋海洋中的微生物或沉积物1,2,3。在这种应用中, 通常需要了解粒子对湍流的响应, 这需要同时测量粒子运动学和流体动力学。
测量粒子运动的现有技术, 称为粒子跟踪 (pt), 用于跟踪单个粒子轨迹, 以及用于测量流量的粒子图像测速4、5 (piv) 的统计技术速度, 两者都采用非侵入性光学技术。使用这些非侵入性光学技术同时测量流动和粒子运动学的主要挑战是每种成像技术所需的单独照明, 这些照明不会干扰对方的测量精度 (例如,测量粒子运动学的光源不能在流体速度测量中起到重要噪声源的作用, 反之亦然)。这两组图像中的图像对比度需要足以获得可靠的结果。例如, pt 图像转换为黑白图像, 以便执行 blob 分析以确定粒子位置;因此, 对比度不足会导致粒子位置错误。piv 图像中对比度较差, 相当于信噪比较低, 会导致对流体速度的估计不准确。
本文介绍了一种相对较低的成本和简单的同时测量粒子运动学和流速的方法。通过使用大功率单色光发光二极管 (led) 线光, 其中线路指的是光孔径, 而双头高强度激光, 感兴趣的粒子和流场同时在同一区域成像。led 的高功率足以通过高速摄像机对 (跟踪) 粒子进行成像, 但不会影响 piv 图像, 因为从 piv 示踪剂散射的光强太低。当双头高强度激光照亮 piv 图像的流场时, 它发生在很短的时间间隔内, 这些图像在注册时很容易识别并从高速 pt 相机获得的时间序列中删除。通过不以彼此匹配的帧采集速率运行两个系统, 可以最大限度地减少高速图像 (用于粒子跟踪) 时间序列中记录的 piv 激光脉冲。在更高级的设置中, 可以在外部触发 pt 和 piv 摄像机, 延迟使用, 以确保不会发生这种情况。最后, 通过仔细考虑在 piv 视场 (fov) 范围内跟踪的粒子数量, 总体误差估计已经考虑到了这些跟踪粒子在 piv 图像相关分析中引入的任何错误,包括与审讯窗口内 piv 示踪剂尺寸分布不均匀有关的错误。绝大多数的 piv 播种示踪剂都跟随流动, 得出准确的流速估计。这些技术使粒子运动学和流场在二维平面上同时直接测量。
通过将其应用于确定湍流中的粒子沉降特性, 证明了这一技术, 类似于 yang、shy6和 jacobs 等人的研究.7. 颗粒沉降是沉积物输送的最后阶段, 一般由沉积物悬浮、输送和沉降组成。在以往大多数研究中, 处理了湍流中的粒子沉降问题, 粒子轨迹或湍流速度不是直接测量的, 而是理论上推断或建模的 8, 9,10.由于同时测量 6、11的实验局限性, 最常用的方法是使用理论和数值模型来研究粒子和湍流之间相互作用的细节。我们提出了一个粒子-湍流相互作用的案例研究在一个振荡的网格设施, 在那里我们研究粒子的沉降速度及其与湍流的耦合。为清楚起见, 我们将把被调查的粒子称为 "粒子", 将用于 piv 技术的播种粒子称为 "示踪剂";此外, 我们将把用于粒子轨迹高速成像的相机称为 "粒子跟踪"、"pt" 或 "高速" 相机, 它测量 "高速图像" 和用于 piv 方法的相机 "piv 相机",测量 "图像"。本文介绍的方法可在设施内预定义的兴趣领域同时测量粒子运动学和流体动力学。所获得的数据提供了粒子-湍流相互作用的二维描述。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Optical lenses</td>
			<td>CVI LASER OPTICS</td>
			<td>Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV</td>
			<td>Other optics companies are acceptable. Spherical and cyclindrical lenses for generating PIV light sheet.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera lens for PIV</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>Nikkor 105mm f/2D</td>
			<td>Other camera lens companies are acceptable. Camera lens for PIV imaging.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera lens for high-speed</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>Nikkor 50mm f/1.8D</td>
			<td>Other camera lens companies are acceptable. Camera lens for high-speed imaging.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dual-head pulsed laser</td>
			<td>Quantel</td>
			<td>EverGreen: 532nm, 70mJ@15Hz</td>
			<td>Other laser companies are acceptable. Dual-head Pulsed-laser for PIV: Nd:YAG</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED line light</td>
			<td>Gardasoft Vision, Ltd.</td>
			<td>VLX2 LED Line Lighting - Green - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04</td>
			<td>Other companies are acceptable. Line light for LED.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PIV seeding particles/tracers</td>
			<td>Potters Industries</td>
			<td>SPHERICAL Hollow Glass Spheres: 11 mm average diameter</td>
			<td>Other companies are acceptable. PIV seeding particles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD cross-correlation camera</td>
			<td>TSI, Inc.</td>
			<td>POWERVIEW 11M: CCD, Double-exposure, 4008x2672 pixels @ 4.2 Hz with 12bit dynmic range</td>
			<td>Other companies are acceptable. Double-exposurem, CCD camera for PIV imaging.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed camera</td>
			<td>Photron</td>
			<td>FASTCAM SA3; Model 60K: 1024x1024 pixels @ 1kHz</td>
			<td>Other companies are acceptable. CMOS camera for high speed imaging.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Synchronizer</td>
			<td>TSI, Inc.</td>
			<td>LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036</td>
			<td>Other companies are acceptable. Synchronize the acquisition of the PIV camera and laser.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration target</td>
			<td>TSI, Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Other companies are acceptable. Precision target for image calibration.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simultaneous measurement of turbulence and particle kinematics using flow imaging techniques

科学和工程领域的许多问题涉及了解湍流中粒子的运动学, 如污染物、海洋微生物和海洋中的沉积物, 或流化床反应器和燃烧过程。工程系统。为了研究湍流对湍流中颗粒运动学的影响, 需要同时测量流动和粒子运动学。用于测量湍流或跟踪颗粒的非侵入性、光学流量测量技术是存在的, 但由于技术之间的干扰, 同时测量这两种技术可能具有挑战性。本文提出的方法为同时测量流量和粒子运动学提供了一种成本较低、相对简单的方法。利用粒子图像测速 (piv) 技术测量流量的横截面, 该技术在测量平面上提供了速度的两个分量。该技术利用脉冲激光对数码相机成像的种子流场进行照明。粒子运动学使用发光二极管 (led) 线灯同时成像, 该线光照亮与 piv 视场 (fov) 重叠的流量的平面横截面。线路光的功率足够低, 不会影响 piv 的测量, 但足够强大, 可以照亮使用高速相机成像的更大的感兴趣的粒子。通过检查每个高速图像的求和强度水平, 可以很容易地过滤包含 piv 技术中的激光脉冲的高速图像。通过使高速摄像机的帧速率与 piv 摄像机帧速率不相称, 可以最大限度地减少高速时间序列中的受污染帧数。该技术适用于主要为二维、所含颗粒的平均流量至少是 piv 播种示踪剂平均直径的 5倍, 且浓度较低。

实验装置的示意图如图 1所示。该图显示了光板 (led 和激光) 的排列、fov 中的重叠以及 fov 相对于振荡栅格和罐壁的位置。如协议部分所述, 湍流和粒子同时测量。图 2显示了与样本粒子轨迹一起测量瞬时速度和涡度的示例结果。在计算湍流波动的 rms 的基础上, 对 piv 分析的结果进行了评价。对于这种振荡的网格设施, 对于两个速...

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Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

本文所述的技术提供了一种低成本和相对简单的方法来同时测量低颗粒浓度流动中的粒子运动学和湍流。利用粒子图像测速仪 (piv) 测量湍流, 并根据在重叠视场中使用高速摄像机获得的图像计算粒子运动学。

流成像技术同时测量湍流和粒子运动学

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

工程和自然科学的许多领域都涉及流体粒子相互作用的问题。该方法为粒子轨迹和流速提供了相对低成本、非侵入性的同步光学测量。在这里，我们测量湍流中沉积物颗粒的沉降速度，从而能够详细描述颗粒轨迹，同时测量同一位置的湍流速度。要开始粒子图像测速设置，请根据流量设施，在光学板上固定双头高强度脉冲激光水平。将圆柱透镜与激光对齐，以产生在振荡网格下方的 2D 光平面。然后在圆柱透镜后安装球形透镜，距离将产生 5 到 1 毫米厚的光片。接下来，放置一个垂直于光片的双曝光 CCD 摄像机，以记录 PIV 的图像。将镜头连接到相机，将其打开，并将其设置为自由连续模式。粗略地将 PIV 摄像机聚焦在湍流设施上。调整光圈和相机位置，直到图像小于或接近所需的光片边界。然后关闭相机，以低强度打开激光。确认光片垂直于地板，然后将标有网格的校准目标精确放置在光片的中心。必须确保 PIV 摄像机垂直于光片，并且光源垂直于地板或设施底部。错位会导致速度预测不正确，进而产生流体速度误差。关闭激光并重新打开相机。将相机对焦在校准目标上并捕获单个图像。在图像处理软件中打开图像，并确认行、高度和列间距在目标上是一致的。角标记大小应不超过一个像素，理想情况下，它们应相同。如果图像符合这些标准，请删除校准目标。安装网格，然后运行设施。然后向流体介绍一汤匙中充满PIV示踪颗粒。等待，直到示踪剂和液体很好地混合，然后再继续。然后打开激光，将其设置为外部控制和高功率。关闭房间灯并捕获图像对以评估跟踪器密度。将示踪剂浓度逐渐增加，达到所需的视觉密度。然后将 PIV 摄像机帧速率设置为尽可能高的值，并设置连续 PIV 图像之间的时间。确认激光配置得当。然后关闭灯，在自由模式下收集数据几秒钟。交叉关联图像对，确认采集的数据质量良好。完成后停止网格振荡。要开始设置 2D 粒子跟踪，请将单色 LED 线灯放在振荡网格设施下，使光片在 LED 线路中居中。打开 LED 线路灯和低功耗激光。确认灯板和线灯对齐良好，然后将其关闭。接下来，将镜头连接到用于粒子跟踪的 CMOS 高速摄像机。以自由连续或实时模式打开相机，并粗略地将其聚焦在感兴趣的区域。调整粒子跟踪摄像机的光圈高度和距离，直到感兴趣的区域与它的视野和相机是水平和垂直的线光。关闭相机。打开线路灯，将校准目标放在线路灯的中心。然后关闭线路灯，打开相机，然后将其聚焦在目标上。捕获校准目标的图像，并确认粒子跟踪摄像机是水平的，垂直于目标，对焦边缘没有图像失真。之后拆下校准目标。然后设置要收集的高速图像的数量。根据预期的粒子速度，将帧速率和分辨率设置为在图像之间实现 3 到 10 像素的粒子位移的值。安装网格，打开 LED 线路灯，使房间变暗。启动网格振荡，将一小部分感兴趣的粒子引入流中。当粒子出现在高速摄像机上时，捕获几帧。粒子轨迹在图像中清晰可见非常重要，表明粒子仍留在平面中，并且不会频繁重叠。如果不符合这些标准，将导致无法准确跟踪粒子。确认没有可见的入口效果，粒子重叠不频繁，粒子运动主要在平面中。完成后停止振荡。要开始最终校准，灯光变暗时，将校准目标放在 LED 和激光光片内。关闭激光和 LED 并打开房间灯。确保校准目标在摄像机 FOV 内对焦，并且具有两个摄像机可见的唯一标记。在两个摄像机上捕获校准目标的图像。请注意唯一标记的相关位置，并确认摄像机仍处于水平，并且边缘周围不会显示失真。然后拆下校准目标，安装栅格，然后开始振荡。让它运行至少 20 分钟，使流量达到稳定状态。然后使房间变暗，打开 LED 线路灯，将颗粒引入流中。当粒子跟踪摄像机 FOV 中出现粒子时，同时启动两个系统的激光脉冲和图像采集。数据采集完成后，保存图像并停止网格振荡。分析流速分布和粒子轨迹。PIV图像可处理成瞬时流体速度和涡流分布。在这里，流体速度矢量分布叠加在涡流颜色图上。设置后，在 PIV 视场上，根平均平方流体速度波动的空间均值幅度应随着水平和垂直速度分量的振荡频率而增加。粒子轨迹和速度可以从高速粒子跟踪图像中确定。粒子速度的分布应大致为高斯。在这里，较大的不规则形状粒子通常显示粒子速度分布，其标准差大于较小的球形粒子。尽管随着网格振荡速率的增加，两组粒子都显示出具有较大平均垂直速度和较大标准偏差的分布。合成粒子、工业砂和本地收集的沙子的停滞流沉降速度，从它们的粒子轨迹中确定，都大致与迪特里希曲线一致。在随后的分析中进一步探讨了粒子沉降速度随着网格振荡频率的增加而增加的趋势。粒子动力学和流体动力学（特别是湍流）的同步光学测量具有挑战性，因为两种成像技术之间可能会发生干扰，从而导致测量不准确。强三维的流不太适合这种技术，因为平面外运动在 2D 跟踪和粒子测速分析中都会产生误差。跟踪粒子的浓度必须相对较低，以最大限度地提高连续图像中跟踪相同粒子的置信度。此外，PIV 示踪剂和被跟踪的粒子的大小必须足够不同，才能区分它们。流速信息与粒子轨迹的集成取决于所研究的信息。例如，此方法还可以沿粒子轨迹及时检查特定实例的流速。这项技术在沉积物运输中已经过，这是运动科学的应用，但它在许多流体流动与自然或人造颗粒相互作用的应用中是相关的。

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