Name: simultaneous measurement of turbulence and particle kinematics using flow imaging techniques
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques at JoVE.com

Delen van dit werk werden ondersteund door de Stichting II-VI en de Coastal Carolina Professional Enhancement Grant. Wij zouden ook graag erkennen Corrine Jacobs, Marek Jendrassak en William Merchant voor hulp bij de experimentele opzet.

Opmerking: Al het personeel moeten worden getraind in de veilig gebruik en de werking van klasse IV lasers zo goed als in het veilige gebruik en de bediening van hand en macht gereedschappen.
1. experimentele opstelling
<ol><li>PIV-instelling
	<ol><li>De dual-head laser en optica instellen.<ol>
<li>Plaats de laser op een optische plaat. Niveau van de laser ten opzichte van de onderkant van de faciliteit (of ten opzichte van de grond als het gewenst is dat de verticale snelhe...

<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>

De hier beschreven methode is relatief goedkoop en biedt een eenvoudige manier om te meten gelijktijdig deeltje trajecten en turbulentie om te onderzoeken van de invloed van stroom op deeltje kinematica. Het is opmerkelijk te noemen dat stromen of deeltje bewegingen die sterk driedimensionale zijn zijn niet geschikt voor deze techniek. De uit-van-plane beweging zal resulteren in fouten,17 in zowel de 2D bijhouden en de PIV-analyse en moet worden geminimaliseerd. Bovendien vergt de methode de conce...

Er bestaat een groot aantal toepassingen op zowel wetenschappelijke en technische gebieden die betrekking hebben op het gedrag van deeltjes in de turbulente stromen, bijvoorbeeld, aërosolen in de sfeer, contaminanten en/of in aangelegde systemen, en mariene sedimenten micro-organismen of sediment in de oceaan1,2,3. In dergelijke toepassingen is het vaak van belang om te begrijpen hoe de deeltjes reageren op turbulentie, waarvoor gelijktijdige meting van de deeltjes kinematica en de dynamica van de vloeistof.
Bestaande technologieën voor het meten van deeltje bewegingen, genaamd deeltje bijhouden (PT), die tracks individuele deeltjes trajecten en de statistische techniek van particle image velocimetry4,5 (PIV), gebruikt voor het meten van stroom snelheden, nemen beide onopvallende optische technieken. De belangrijkste uitdaging bij het gebruik van deze niet-invasief optische technieken voor het meten van zowel de stroom en het deeltje kinematica gelijktijdig is de aparte verlichting nodig voor elke beeldvormende techniek die niet mengen met elkaars meting nauwkeurigheid) bijvoorbeeld, de bron van de verlichting voor het meten van de kinematica deeltje kan niet fungeren als een belangrijke geluidsbron in de meting van de snelheid van de vloeistof en vice versa). Het afbeeldingscontrast in beide sets van beelden moet voldoende zijn om betrouwbare resultaten te verkrijgen. Bijvoorbeeld, worden de PT-afbeeldingen geconverteerd naar zwart-wit beelden om te kunnen uitvoeren van een analyse van de blob om te bepalen van deeltje posities; dus leidt onvoldoende contrast tot fouten in de positie van de particle. Slecht contrast in PIV beelden bedragen naar een lage signal-to-noise verhouding die onnauwkeurigheden in de schatting van de vloeistof snelheden zullen veroorzaken.
Hier, wordt een relatief goedkope en eenvoudige methode om te meten gelijktijdig beide deeltje kinematica en stroom snelheden beschreven. Door het gebruik van een high-power monochromatisch licht emitterende diode (LED) lijn licht, waar de lijn naar de lichte diafragma en dual-head hoge intensiteit laser verwijst, zijn zowel de deeltjes van belang en het veld stroom gelijktijdig beeld in dezelfde regio. Het hoge vermogen van de LED is voldoende voor de beeldvorming van de (bijgehouden) deeltjes door de high-speed camera maar heeft geen gevolgen voor de PIV beelden omdat de lichtintensiteit verspreid van PIV traceurs te laag is. Wanneer de laser van de hoge intensiteit dual-head verlicht het veld van de stroom voor de PIV-beelden, het vindt plaats via een korte tijdsinterval en deze beelden gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd en verwijderd uit de tijdreeks verkregen door de snelle PT camera wanneer ze zijn geregistreerd. PIV laser pulsen opgenomen in de tijd van de hoge snelheid beeld (gebruikt voor particle bijhouden) serie kan worden geminimaliseerd door niet de twee systemen op overname framesnelheid in verhouding met elkaar staan. In meer geavanceerde opstellingen, kon een extern de PT en PIV camera's met een vertraging zodat dit niet gebeurt zou teweegbrengen. Ten slotte, door zorgvuldige afweging van de hoeveelheid deeltjes worden bijgehouden in de PIV beeldveld (FOV), eventuele fouten geïntroduceerd door deze bijgehouden deeltjes in de analyse van de correlatie van PIV beelden zijn al rekening gehouden door de totale schatting van de fout, inclusief fouten die zijn gekoppeld aan niet-uniforme grootteverdeling van PIV traceurs binnen het venster van de ondervraging. De overgrote meerderheid van de PIV zaaien traceurs volgen de stroom, levert nauwkeurige flow velocity schattingen. Deze technieken kunnen de gelijktijdige rechtstreekse meting van zowel het deeltje kinematica en stroom veld in een tweedimensionaal vlak.
Deze techniek wordt aangetoond door het toepassen van het deeltje zich vestigen van kenmerken in een turbulente stroming, vergelijkbaar met die gebruikt in studies door Yang en verlegen6 en Jacobs et al. en controleer 7. deeltje afwikkeling is de laatste fase in sedimenttransport, die meestal uit het sediment schorsing, en vervoer regelen bestaat. In de meeste voorafgaande studies die deeltjes zich vestigen in turbulente stromen hebben aangepakt, ofwel deeltjes trajecten turbulente snelheden zijn niet rechtstreeks gemeten, maar afgeleid theoretisch of gemodelleerd8,9,10. Details over de interacties tussen deeltjes en turbulentie zijn vaak onderzocht met behulp van theoretische en numerieke modellen als gevolg van de experimentele beperkingen bij de waardering van beide gelijktijdig6,11. We presenteren een deeltje-turbulentie interactie casestudy in een oscillerende raster faciliteit, waar we de beslechting snelheid voor deeltjes en hun koppeling studie met turbulentie. Voor de duidelijkheid, zal hierna verwijzen we naar de deeltjes onderzochte als "particles" en de seeding deeltjes gebruikt voor de PIV-techniek als "tracers"; Bovendien zullen we verwijzen naar de camera gebruikt voor de snelle beeldvorming van de deeltjes-trajecten als de "deeltje volgen", "PT" of "snelle" camera, dat meet "snelle beelden" en de camera gebruikt voor de PIV-methode de "PIV camera", die Meet "beelden". De hier beschreven methode kunt de gelijktijdige meting van de deeltjes kinematica en dynamica van de vloeistof over een vooraf gedefinieerde veld van belang binnen de faciliteit. De verkregen gegevens bevat een tweedimensionale beschrijving van de interactie van het deeltje-turbulentie.

<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

Tal van problemen in wetenschappelijke en technische velden betrekken inzicht in de kinematica van deeltjes in de turbulente stromen, zoals verontreinigingen, mariene micro-organismen en/of sedimenten in de Oceaan, of de fluïde bed reactoren en verbrandingsprocessen in Engineered systemen. Om het effect van de turbulentie op de kinematica van deeltjes in die stromen te bestuderen, zijn gelijktijdige metingen van de stroom en de deeltjes kinematica nodig. Niet-opdringerig, optische stroom meettechnieken voor het meten van de turbulentie, of voor het bijhouden van deeltjes, bestaan kan beide tegelijk meten echter uitdagende als gevolg van interferentie tussen de technieken. De hier vermelde methode biedt een goedkope en relatief eenvoudige methode om gelijktijdige metingen van de stroom en deeltje kinematica. Een dwarsdoorsnede van de stroom wordt gemeten met behulp van een particle image velocimetry (PIV) techniek, waarmee de twee componenten van de snelheid in de meting vlak. Deze techniek maakt gebruik van een gepulseerde-laser voor de verlichting van de geplaatste stroom veld dat image is gemaakt met een digitale camera. Het deeltje kinematica zijn gelijktijdig beeld met behulp van een licht emitterende diode (LED) lijn licht dat een vlakke doorsnede van de stroom dat wordt overlapt door het PIV gebied verlicht-van-weergave (FOV). De lijn licht is laag genoeg vermogen dat doet geen afbreuk aan de PIV-metingen, maar krachtig genoeg voor het verlichten van de grotere deeltjes van belang beeld met behulp van de high-speed camera. Snelle beelden die de laserpulsen uit de PIV-techniek bevatten zijn gemakkelijk gefilterd door het onderzoek van de opgeteld intensiteitsniveau van elke hoge snelheid beeld. Doordat de framesnelheid van de high-speed camera met die van de framesnelheid van de PIV-camera, kan het aantal besmette frames in de high-speed tijdreeksen worden geminimaliseerd. De techniek is geschikt voor gemiddelde stromen die overwegend tweedimensionaal zijn, deeltjes die minstens 5 keer de gemiddelde diameter van de PIV traceurs zaaien, en zijn lage concentratie bevatten.

Een schematische voorstelling van de experimentele opstelling is afgebeeld in Figuur 1. De afbeelding wordt de rangschikking van lichte bladen (LED en laser), de overlap in de FOVs, en de positie van de FOVs ten opzichte van het oscillerende raster en de wanden van de tank. De turbulentie en deeltjes worden gelijktijdig zoals beschreven in de sectie protocol gemeten. Figuur 2 toont een voorbeeld van de resultaten van de metingen ...

Watch this Scientific Journal Video about Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques at JoVE.com

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

De hier beschreven techniek biedt een goedkope en relatief eenvoudige methode om tegelijkertijd deeltje kinematica en turbulentie in stromen met lage deeltje concentraties. De turbulentie is gemeten met behulp van de particle image velocimetry (PIV) en deeltje kinematica zijn berekend uit de beelden verkregen met een high-speed camera in een overlappende veld-of-view.

Gelijktijdige meting van turbulentie en Particle Kinematics met behulp van stroom beeldvormende technieken

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

Tal van gebieden in zowel de techniek en de natuurwetenschappen te betrekken problemen in verband met vloeistof deeltjes interactie. Deze methode biedt een relatief goedkope, niet-opdringerige gelijktijdige optische meting van zowel deeltjestrajecten als stroomsnelheden. Hier meten we de bezindheidssnelheden van sedimentdeeltjes in een turbulente stroming, waardoor gedetailleerde karakterisering van de deeltjestrajecten mogelijk wordt en tegelijkertijd turbulente snelheden op dezelfde locatie kunnen worden gemeten.Om te beginnen met het deeltjesbeeld velocimetrie setup, bevestig een dual head hoge intensiteit puls laser horizontaal niveau op een optische plaat, in lijn met de flow faciliteit. Plaats een cilindrische lens in lijn met de laser om een 2D-vlak van licht dat zal worden onder de oscillerende raster te produceren. Monteer vervolgens een bolvormige lens na de cilindrische lens op een afstand die een lichtplaat genereert die 5 tot een millimeter dik is.Plaats vervolgens een ccd-camera met dubbele belichting loodrecht op het lichtblad om beelden op te nemen voor PIV. Bevestig een lens aan de camera, zet hem aan en zet hem in op vrije en continue modus. Richt de PIV-camera grof op de turbulente stroomvoorziening.Pas het diafragma en de camerapositie aan totdat het beeld kleiner is dan of dicht bij de gewenste lichtplaatgrenzen. Schakel vervolgens de camera uit en zet de laser bij lage intensiteit aan. Controleer of de lichtplaat loodrecht op de vloer staat en plaats vervolgens een kalibratiedoel dat precies in het midden van de lichtplaat is gemarkeerd met een raster.Het is essentieel om ervoor te zorgen dat de PIV-camera loodrecht op de lichtplaat staat en dat de lichtplaat loodrecht staat op de vloer of de bodem van de faciliteit. Verkeerde uitlijning resulteren in onjuiste snelheid projecties, en dus vloeistof snelheid fout. Zet de laser uit en zet de camera weer aan.Richt de camera op het kalibratiedoel en leg één beeld vast. Open de afbeelding in de software voor beeldverwerking en bevestig dat de rij-, hoogte- en kolomafstand consistent is voor het doel. De hoekmarkeringsgroottes mogen niet meer dan één pixel verschillen en idealiter moeten ze identiek zijn.Als de afbeelding aan deze criteria voldoet, verwijdert u het kalibratiedoel. Installeer het raster en voer de faciliteit uit. Introduceer dan ongeveer een eetlepel PIV-tracerdeeltjes in de vloeistof.Wacht tot de tracers en vloeistof goed gemengd zijn voordat ze verder gaan. Schakel vervolgens de laser in en stel deze in op externe controle en hoog vermogen. Schakel de kamerverlichting uit en leg een afbeeldingspaar vast om de tracerdichtheid te evalueren.Geleidelijk verhogen van de tracer concentratie door theelepel-volen aan de gewenste visuele dichtheid. Stel vervolgens de framesnelheid van de PIV-camera in op de hoogst mogelijke waarde en stel de tijd in tussen opeenvolgende PIV-beelden. Controleer of de laser op de juiste manier is geconfigureerd.Schakel vervolgens de lichten uit en verzamel gegevens in de vrije modus voor een paar seconden. Cross correleert de afbeeldingsparen en bevestig dat de verkregen gegevens van goede kwaliteit zijn. Stop de rastertillatie wanneer u klaar bent.Om te beginnen met het opzetten van 2D-deeltjes tracking, plaats een monochromatische LED-lijn licht onder de oscillatie raster faciliteit, zodat de lichtplaat zal worden gecentreerd binnen de LED-lijn. Zet het LED-lijnlicht en de laser op laag vermogen aan. Controleer of het lichtblad en het lijnlicht goed zijn uitgelijnd en schakel ze vervolgens uit.Bevestig vervolgens een lens aan een CMOS high speed camera om te worden gebruikt voor deeltjestracking. Zet de camera in de vrije continue of live-modus, en grof richten op de regio van belang. Pas de diafragmahoogte en afstand van de deeltjestrackingcamera aan totdat het gebied van belang is met zijn gezichtsveld en de camera vlak en loodrecht op het lijnlicht staat.Zet de camera uit. Zet het lijnlicht aan en plaats het kalibratiedoel in het midden van het lijnlicht. Schakel vervolgens het lijnlicht uit, zet de camera aan en richt deze op het doel.Leg een beeld van het kalibratiedoel vast en bevestig dat de deeltjesvolgcamera vlak is, loodrecht op het doel en in focus zonder beeldvervorming aan de randen. Verwijder daarna het kalibratiedoel. Stel vervolgens het aantal te verzamelen hoge snelheidsbeelden in.Stel op basis van de verwachte deeltjessnelheid de framesnelheid en -resolutie in op waarden die deeltjesverplaatsing van drie tot 10 pixels tussen afbeeldingen moeten bereiken. Installeer het raster, zet het LED-lijnlicht aan en maak de ruimte donkerder. Start de raster oscillatie en introduceer een klein deel van de deeltjes van belang in de stroom.Wanneer de deeltjes verschijnen op de high speed camera, leg een paar frames. Het is belangrijk dat de deeltjessporen duidelijk zichtbaar zijn in de beelden, wat aangeeft dat de deeltjes in het vlak blijven en elkaar niet vaak overlappen. Als u niet aan deze criteria voldoet, kan de deeltjes niet nauwkeurig worden gevolgd.Bevestig dat er geen zichtbare ingangseffecten zijn, dat de overlapping van deeltjes zeldzaam is en dat deeltjesbewegingen voornamelijk in het vlak zijn. Stop de oscillatie wanneer u klaar bent. Om te beginnen met de uiteindelijke kalibratie, met de lichten gedimd plaats de kalibratie doel in de LED en laser lichtplaten.Zet de laser en LED uit en zet de kamerverlichting aan. Zorg ervoor dat het kalibratiedoel scherp is in de camera-FOV's en een uniek merk heeft dat zichtbaar is voor beide camera's. Leg een beeld vast van het kalibratiedoel op beide camera's.Let op de relevante plaatsingen van het unieke merk en bevestig dat de camera's nog steeds vlak zijn en geen vervorming vertonen rond de randen. Verwijder vervolgens het kalibratiedoel, installeer het raster en start de oscillatie. Laat het minstens 20 minuten lopen om de stroom in een stabiele toestand te laten bereiken.Maak vervolgens de ruimte donkerder, zet het LED-lijnlicht aan en introduceer de deeltjes in de stroom. Tegelijkertijd start de laserpulsen en beeldverwerving voor beide systemen wanneer deeltjes verschijnen in de deeltjes tracking camera FOV. Wanneer de gegevensverwerving is voltooid, slaat u de afbeeldingen op en stopt u de rasterschoiling.Analyseer de verdeling van de stroomsnelheid en de deeltjestrajecten. De PIV-beelden kunnen worden verwerkt tot momentane vloeistofsnelheid en vorticity-distributies. Hier wordt de vloeistofsnelheidsvectordistributie bedekt op een vorticity kleurenkaart.Met deze opstelling moet de omvang van het ruimtegemiddelde van wortelgemiddelde schommelingen in de gevierende vloeistofsnelheid over het PIV-gezichtsveld toenemen met oscillatiefrequentie voor zowel horizontale als verticale snelheidscomponenten. Deeltjestrajecten en snelheden kunnen worden bepaald aan de hand van de beelden van deeltjes bij hoge snelheid. De verdeling van deeltjessnelheden moet ongeveer gaussian zijn.Hier toonden de grotere onregelmatig vormen de deeltjes over het algemeen deeltjessnelheidsdistributies met grotere standaarddeviaties dan die van de kleinere, bolvormige deeltjes. Hoewel beide sets van deeltjes toonde distributies met grotere gemiddelde verticale snelheden en grotere standaarddeviaties als het raster oscillatie tarief verhoogd. De stagnerende stroom die snelheden van synthetische deeltjes, industrieel zand en lokaal verzameld zand bezink, bepaald uit hun deeltjestrajecten, allemaal ruwweg overeengekomen met de Dietrich-krommen.De neiging van deeltjes die snelheden regelen om met de frequentie van de netost oscillatie te stijgen werd verder onderzocht in verdere analyse. Gelijktijdige optische meting van zowel deeltjeskinetiek als vloeistofdynamica, met name turbulentie, is een uitdaging vanwege het potentieel voor interferentie tussen de twee beeldvormingstechnieken, wat resulteert in meetonnauwkeurigheden. Stromen die sterk driedimensionaal zijn, zijn niet goed geschikt voor deze techniek, omdat uit vliegtuigbewegingen fouten zullen ontstaan in zowel de 2D-tracking als de deeltjesschilmetrieanalyse.De concentratie van rupsdeeltjes moet relatief laag zijn om het vertrouwen te maximaliseren dat hetzelfde deeltje wordt gevolgd in opeenvolgende beelden. Ook moeten PIV-tracers en de deeltjes die worden gevolgd voldoende verschillend zijn in grootte om ze te onderscheiden. De integratie van de stroomsnelheid informatie met de deeltjesbaan hangt af van wat er wordt onderzocht.Deze methode kan bijvoorbeeld ook de stroomsnelheden onderzoeken in specifieke gevallen in de tijd langs de baan van het deeltje. Deze techniek werd gedemonstreerd met sedimenttransport, een toepassing voor bewegingswetenschappen, maar het is relevant in veel toepassingen waar de vloeistofstroom interageert met natuurlijke of door de mens gemaakte deeltjes.

Education

Research

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

An Introduction to Statics

Kinematics of a Particle

Newton's Laws of Motion

SCIENTISTS IN ACTION

Thermal Measurement Techniques in Analytical Microfluidic Devices

Thermische Meettechnieken in Analytical Microfluïdische Devices

Thermal measurement techniques have been used for many applications such as thermal characterization of materials and chemical reaction detection. ...

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

Ontwikkeling van een experimentele opstelling voor het meten van de Coëfficiënt van Restitutie onder vacuüm

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

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Meting van Verstrooiing lineariteiten van een Single Plasmonische Nanodeeltje

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

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

Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence

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

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

Driedimensionale Particle Tracking Velocimetry voor Turbulence Applications: Case van een 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 ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Optische val Laden van diëlektrische micropartikels in Air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generatie van grootte bestuurde Poly (ethyleen Glycol) Diacrylate druppels via Semi-3-dimensionale Flow gericht Microfluidic apparaten

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper

Methodeontwikkeling voor contactloze resonante holte diëlektrische spectroscopische studies van Cellulosisch papier

The current analytical techniques for characterizing printing and graphic arts substrates are largely ex situ and destructive. This limits the amount of ...

Measuring Sub-23 Nanometer Real Driving Particle Number Emissions Using the Portable DownToTen Sampling System

Het meten van sub-23 nanometer real driving particle number emissies met behulp van de Portable DownToTen Sampling System

The current particle size threshold of the European Particle Number (PN) emission standards is 23 nm. This threshold could change because future ...

Solution Blow Spinning of Polymeric Nano-Composite Fibers for Personal Protective Equipment

Oplossing Blow Spinning van polymere nanocomposietvezels voor persoonlijke beschermingsmiddelen

Light-weight, protective armor systems typically consist of high modulus (&#62;109 MPa) and high-strength polymeric fibers held in place with an elastic ...