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

Parties de ce document ont été pris en charge par la Fondation II-VI et le Coastal Carolina professionnel Enhancement Grant. Nous aimerions également remercier Corrine Jacobs, Marek Jendrassak et William Merchant pour aident avec le montage expérimental.

Remarque : Tous les employés soient formés à l’utilisation sécuritaire et fonctionnement des lasers de classe IV ainsi que dans l’utilisation sans danger d’outils manuels et mécaniques.
1. expérimental
<ol><li>Installation PIV
	<ol><li>Mettre en place la double tête laser et optique.<ol>
<li>Placer le laser sur une plaque d’optique. Niveau laser en ce qui concerne le fond de l’installation (ou par rapport au sol si on le désire d’avoir des vitesses verti...

<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>

La méthode décrite ici est relativement peu coûteuse et fournit un moyen simple de mesurer simultanément les trajectoires de particules et de turbulence afin d’examiner l’influence du débit sur la cinématique de la particule. Il convient de mentionner que des flux ou des mouvements de particules qui sont fortement en trois dimensions ne sont pas bien adaptés à cette technique. Le mouvement hors-plan se traduira par des erreurs de17 en la 2D de suivi et l’analyse de la PIV et devrait ...

Il existe un grand nombre d’applications dans les domaines scientifiques et techniques qui concernent le comportement des particules dans les écoulements turbulents, par exemple, les aérosols dans l’atmosphère, des contaminants et des sédiments dans les systèmes et marine les micro-organismes ou les sédiments dans l’océan1,2,3. Dans de telles applications, il est souvent intéressant de comprendre comment les particules répondent aux turbulences, qui exige la mesure simultanée de la cinématique des particules et la dynamique des fluides.
Les technologies existantes pour mesurer les mouvements des particules, appelés suivi de particules (PT), qui suit les trajectoires de particules individuelles et la technique statistique de particle image velocimetry4,5 (PIV), utilisé pour mesurer le flux vitesses, tous deux intègrent des techniques optiques non intrusives. Le principal défi dans l’utilisation de ces techniques optiques non intrusives pour mesurer le débit et la particule cinématique simultanément est l’éclairage séparé requis pour chaque technique d’imagerie qui ne peut pas interférer avec l’autre mesure précision ( par exemple, la source d’illumination pour mesurer la cinématique de la particule ne peut agir comme une source de bruit important dans la mesure de la vitesse du fluide et vice versa). Le contraste de l’image dans les deux ensembles d’images doit être suffisante pour obtenir des résultats fiables. Par exemple, les images de PT sont convertis aux images en noir et blanc afin d’effectuer une analyse de blob afin de déterminer les positions des particules ; ainsi, le contraste insuffisant conduit à des erreurs dans la position de la particule. Faible contraste en PIV images s’élève à un faible ratio signal-bruit qui provoqueront des inexactitudes dans l’estimation des vitesses fluides.
Ici, une méthode relativement simple et faible coût de mesurer simultanément les deux vitesses de cinématique et flux de particules est décrite. Grâce à l’utilisation d’une lumière monochromatique haute puissance émettant ligne de diode (LED) lumière, où la ligne se réfère à l’ouverture lumineuse et la double tête laser de haute intensité, les deux particules d’intérêt et le champ d’écoulement sont imagés simultanément dans la même région. La puissance élevée de la LED est suffisante pour l’imagerie de particules (chenilles) par la caméra à grande vitesse mais n’influe pas sur les images PIV parce que l’intensité de la lumière diffusée par des traceurs PIV est trop faible. Quand le double tête haute intensité laser illumine le champ d’écoulement pour les images PIV, il se produit sur un intervalle de temps court et ces images sont facilement identifiés et supprimés des séries chronologiques obtenues par la caméra PT à grande vitesse lorsqu’ils sont enregistrés. PIV laser à impulsions enregistrées dans le temps d’image haute vitesse (utilisé pour le suivi de particules) série peut être minimisé en n’exécutant ne pas les deux systèmes à cadences d’acquisition qui soient comparables entre eux. Dans les configurations plus avancées, on peut déclencher l’extérieurement les caméras PT et PIV avec un retard qui garantirait que cela n’arrive pas. Enfin, par un examen attentif de la quantité de particules suivies au sein de la PIV champ de vision (FOV), le toutes les erreurs introduites par ces particules suivies dans l’analyse de corrélation d’images PIV sont déjà pris en compte par l’estimation de l’erreur globale, y compris des erreurs associées à granulométrie non uniforme des traceurs PIV dans la fenêtre de l’interrogatoire. La grande majorité de la PIV ensemencement à traceurs suivent le flux, ce qui donne des estimations de vitesse de débit précis. Ces techniques permettent la mesure directe simultanée de ces deux particules cinématique flux matière et dans un plan à deux dimensions.
Cette technique est démontrée par son application afin de déterminer les particules régler les caractéristiques dans un écoulement turbulent, similaire à celle utilisée dans les études par Yang et timide6 et Jacobs et al. 7. régler les particules est l’ultime étape de transport des sédiments, qui consiste généralement en suspension de sédiments, transport et sédimentation. Dans la plupart des études antérieures qui ont abordé la particule s’installant dans les écoulements turbulents, soit des trajectoires de particules ou de vitesses turbulentes ne mesurent pas directement, mais déduit théoriquement ou modélisé8,9,10. Détails sur les interactions entre les particules et les turbulences ont plus souvent été étudiées à l’aide de modèles théoriques et numériques en raison des limitations expérimentales en mesurant tous les deux en même temps6,11. Nous présentons une étude de cas d’interaction particules-turbulences dans une installation de grille oscillante, où l'on étudie la vitesse de sédimentation des particules et leur couplage avec la turbulence. Pour plus de clarté, nous désignerons ci-après aux particules incriminés comme « particules » et l’ensemencement utilisés pour la technique PIV comme « traceurs » ; en outre, nous ferons référence à l’appareil utilisé pour l’imagerie à grande vitesse des trajectoires de particules comme le « suivi des particules », « PT » ou « haute vitesse » caméra, qui mesure « images à grande vitesse » et l’appareil photo utilisé pour la méthode PIV la « caméra PIV », qui mesure « images ». La méthode décrite ici permet la mesure simultanée de la cinématique des particules et la dynamique des fluides sur un champ prédéfini d’intérêt au sein de l’établissement. Les données obtenues fournissent une description à deux dimensions de l’interaction de la particule-turbulence.

<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

Nombreux problèmes dans les domaines scientifiques et techniques impliquent comprendre la cinématique des particules dans les écoulements turbulents, comme contaminants, micro-organismes marins et/ou les sédiments dans l’océan, ou les réacteurs à lit fluidisé et les procédés de combustion dans ingénierie des systèmes. Afin d’étudier l’effet de la turbulence sur la cinématique des particules dans ces flux, la mesure simultanée de la cinématique de l’écoulement et la particule est nécessaire. Il existe des techniques de mesure de débit non intrusive, optiques pour mesurer la turbulence, ou pour le suivi des particules, mais toutes deux mesurant simultanément peut s’avérer difficile en raison de l’interférence entre les techniques. La méthode présentée ici fournit une méthode relativement simple et abordable pour faire une mesure simultanée de la cinématique de flux et de particules. Une coupe transversale de l’écoulement est mesurée par une technique particule image velocimetry (PIV) qui fournit les deux composantes de la vitesse dans le plan de mesure. Cette technique utilise un laser pulsé pour éclairer le champ d’écoulement ensemencée qui est photographié par un appareil photo numérique. La cinématique de la particule sont projetés simultanément à l’aide d’un feu émettant une lumière de ligne de diode électroluminescente (DEL) qui illumine une section transversale plane du débit qui chevauche la PIV champ de vision (FOV). La lumière de la ligne est d’une puissance assez basses qu’elle n’affecte pas les mesures PIV, mais assez puissant pour éclairer les plus grosses particules d’intérêt imagés à l’aide de la caméra à grande vitesse. Des images à grande vitesse qui contiennent des impulsions laser de la technique du PIV sont facilement filtrés en examinant le niveau d’intensité cumulée de chaque image à grande vitesse. En faisant de la fréquence d’images de la caméra à grande vitesse sans commune mesure avec celle de la fréquence d’images de caméra PIV, le nombre d’images contaminés dans les séries chronologiques à grande vitesse peut être minimisé. La technique est conçue pour des débits moyens qui sont principalement de deux dimensions, contiennent des particules qui sont au moins 5 fois le diamètre moyen de la PIV ensemencement à traceurs et contiennent peu de concentration.

Un schéma de l’installation expérimentale est illustré à la Figure 1. La figure montre la disposition des feuilles de lumière (LED et laser), le chevauchement dans les FOVs et la position des FOVs par rapport à la grille oscillante et les parois du réservoir. Les turbulences et les particules sont mesurés en même temps, comme décrit dans la section protocole. La figure 2 montre les résultats d’exemple des mesures d...

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

La technique décrite dans la présente offre une méthode relativement simple et faible coût pour mesurer simultanément la cinématique de la particule et la turbulence des flux avec des concentrations de particules de faible. La turbulence est mesurée à l’aide de la vélocimétrie par image de particules (PIV), et la cinématique de particules sont calculés à partir des images obtenues avec une caméra à grande vitesse dans un champ de vision qui se chevauchent.

Mesure simultanée de la Turbulence et de la cinématique de particules qui utilise les Techniques d’imagerie de flux

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

De nombreux domaines de l’ingénierie et des sciences naturelles comportent des problèmes associés à l’interaction des particules fluides. Cette méthode fournit une mesure optique simultanée relativement peu rentable et non intrusive des trajectoires de particules et des vitesses d’écoulement. Ici, nous mesurons les vitesses de décantation des particules sédimentaires dans un flux turbulent, permettant une caractérisation détaillée des trajectoires des particules tout en mesurant simultanément les vitesses turbulentes au même endroit.Pour commencer la configuration de velocimétrie d’image de particule, fixez un laser d’impulsion de haute intensité de double tête horizontalement niveau sur une plaque optique, en ligne avec l’installation d’écoulement. Placez une lentille cylindrique en ligne avec le laser pour produire un plan 2D de lumière qui sera en dessous de la grille oscillante. Montez ensuite une lentille sphérique après la lentille cylindrique à une distance qui générera une feuille de lumière de 5 à 1 millimètre d’épaisseur.Ensuite, placez une caméra CCD à double exposition perpendiculaire à la feuille de lumière pour enregistrer des images pour PIV. Fixez un objectif à l’appareil photo, allumez-le et réglez-le en mode libre et continu. Concentrez grossièrement la caméra PIV sur l’installation de flux turbulent.Ajustez l’ouverture et la position de la caméra jusqu’à ce que l’image soit plus petite ou proche des limites souhaitées des feuilles lumineuses. Puis éteignez la caméra et allumez le laser à basse intensité. Confirmez que la feuille de lumière est perpendiculaire au sol, puis placez une cible d’étalonnage marquée d’une grille précisément au centre de la feuille de lumière.Il est essentiel de s’assurer que la caméra PIV est perpendiculaire à la feuille de lumière et que la feuille de lumière est perpendiculaire au plancher ou au fond de l’installation. Le désalignement entraîne des projections de vitesse incorrectes, et donc une erreur de vitesse fluide. Éteignez le laser et allumez la caméra.Concentrez la caméra sur la cible d’étalonnage et capturez une seule image. Ouvrez l’image dans le logiciel de traitement d’image et confirmez que l’espacement de la ligne, de la hauteur et de la colonne est cohérent sur l’ensemble de la cible. Les tailles des marqueurs d’angle ne doivent pas différer d’un pixel et idéalement, elles doivent être identiques.Si l’image répond à ces critères, supprimez la cible d’étalonnage. Installez le réseau et exécutez l’installation. Puis introduire environ une cuillère à soupe pleine de particules traceurs PIV dans le fluide.Attendez que les traceurs et le liquide soient bien mélangés avant de continuer. Ensuite, allumez le laser et réglez-le au contrôle externe et à la puissance élevée. Éteignez les lumières de la pièce et capturez une paire d’images pour évaluer la densité du traceur.Augmentez graduellement la concentration du traceur par cuillère à café-pleins à la densité visuelle désirée. Réglez ensuite le taux d’image de la caméra PIV à la valeur la plus élevée possible et définissez l’heure entre les images PIV consécutives. Confirmez que le laser est configuré de manière appropriée.Éteignez ensuite les lumières et collectez des données en mode libre pendant quelques secondes. Cross corréler les paires d’images et de confirmer que les données acquises sont de bonne qualité. Arrêtez l’oscillation de la grille une fois terminée.Pour commencer à mettre en place le suivi des particules 2D, placez une lumière monochromatique de ligne LED sous l’installation de grille d’oscillation de sorte que la feuille de lumière sera centrée dans la ligne led. Allumez la lumière de la ligne LED et le laser à faible puissance. Confirmez que la feuille de lumière et la lumière de la ligne sont bien alignées, puis éteignez-les.Ensuite, fixez une lentille à une caméra à grande vitesse CMOS qui sera utilisée pour le suivi des particules. Allumez la caméra en mode continu ou en direct gratuit, et concentrez-la grossièrement sur la région d’intérêt. Ajustez la hauteur et la distance de l’ouverture de la caméra de suivi des particules jusqu’à ce que la région d’intérêt soit avec son champ de vision et que la caméra soit de niveau et perpendiculaire à la lumière de la ligne.Éteignez la caméra. Allumez la lumière de ligne et placez la cible d’étalonnage au centre de la lumière de ligne. Puis éteignez la lumière de la ligne, allumez la caméra et concentrez-la sur la cible.Capturez une image de la cible d’étalonnage et confirmez que la caméra de suivi des particules est de niveau, perpendiculaire à la cible et au point sans distorsion d’image sur les bords. Retirez la cible d’étalonnage par la suite. Réglez ensuite le nombre d’images à grande vitesse à collecter.En fonction de la vitesse prévue des particules, définissez la vitesse et la résolution du cadre en valeurs qui devraient atteindre le déplacement des particules de trois à 10 pixels entre les images. Installez la grille, allumez la lumière de la ligne LED et assombrissez la pièce. Démarrez l’oscillation de la grille et introduisez une petite partie des particules d’intérêt dans le flux.Lorsque les particules apparaissent sur la caméra à grande vitesse, capturer quelques images. Il est important que les traces de particules soient clairement visibles dans les images, ce qui indique que les particules restent en plan et ne se chevauchent pas fréquemment. Le non-respect de ces critères entraînera l’incapacité de suivre avec précision les particules.Confirmez qu’il n’y a pas d’effets d’entrée visibles, que le chevauchement des particules est peu fréquent et que le mouvement des particules se fait principalement en plan. Arrêtez l’oscillation une fois terminée. Pour commencer l’étalonnage final, avec les lumières tamisées placer la cible d’étalonnage dans les feuilles de lumière LED et laser.Éteignez le laser et la LED et allumez les lumières de la pièce. Assurez-vous que la cible d’étalonnage est au point dans la caméra FOVs, et a une marque unique visible pour les deux caméras. Capturez une image de la cible d’étalonnage sur les deux caméras.Notez les emplacements pertinents de la marque unique, et confirmez que les caméras sont toujours de niveau et ne montrent aucune distorsion sur les bords. Retirez ensuite la cible d’étalonnage, installez la grille et démarrez l’oscillation. Laissez-le fonctionner pendant au moins 20 minutes pour permettre au flux d’atteindre un état stable.Puis assombrissez la pièce, allumez la lumière de la ligne LED et introduisez les particules dans le flux. Démarrez simultanément les impulsions laser et l’acquisition d’images pour les deux systèmes lorsque des particules apparaissent dans la caméra de suivi des particules FOV. Lorsque l’acquisition de données est terminée, enregistrez les images et arrêtez l’oscillation de la grille.Analyser la distribution de la vitesse d’écoulement et les trajectoires des particules. Les images PIV peuvent être traitées en distributions instantanées de vitesse et de vorticité des fluides. Ici, la distribution du vecteur de vitesse fluide est superposée sur une carte de couleur de vorticité.Avec cette configuration, l’ampleur de la moyenne spatiale de la fluctuation moyenne de la vitesse des fluides au carré sur le champ de vision PIV devrait augmenter avec la fréquence d’oscillation pour les composants de vitesse horizontale et verticale. Les trajectoires et les vitesses des particules peuvent être déterminées à partir des images de suivi des particules à grande vitesse. La distribution des vitesses des particules devrait être à peu près gaussienne.Ici, les particules de formes irrégulières plus grandes montraient généralement des distributions de vitesse des particules avec des écarts types plus importants que ceux des particules sphériques plus petites. Bien que les deux ensembles de particules aient montré des distributions avec de plus grandes vitesses verticales moyennes et des écarts types plus grands pendant que le taux d’oscillation de grille augmentait. Les vitesses stagnantes de décantation du débit des particules synthétiques, du sable industriel et du sable recueilli localement ont déterminé à partir de leurs trajectoires de particules toutes à peu près d’accord avec les courbes Dietrich.La tendance des particules à installer des vitesses à augmenter avec la fréquence d’oscillation de grille a été explorée plus loin dans l’analyse suivante. La mesure optique simultanée de la cinétique des particules et de la dynamique des fluides, en particulier la turbulence, est difficile en raison du risque d’interférence entre les deux techniques d’imagerie, ce qui entraîne des inexactitudes de mesure. Les flux fortement tridimensionnels ne conviennent pas bien à cette technique, car les mouvements en plan produiront des erreurs tant dans le suivi 2D que dans l’analyse de la vélocimétrie des particules.La concentration de particules suivies doit être relativement faible pour maximiser la confiance que la même particule est suivie dans des images consécutives. En outre, les traceurs PIV et les particules suivies doivent être suffisamment différents pour les distinguer. L’intégration de l’information sur la vitesse d’écoulement avec la trajectoire des particules dépend de ce qui est étudié.Par exemple, cette méthode peut également examiner les vitesses d’écoulement à des cas spécifiques dans le temps le long de la trajectoire de la particule. Cette technique a été démontrée avec le transport des sédiments, une application pour les sciences du mouvement, mais elle est pertinente dans de nombreuses applications où le flux de fluide interagit avec des particules naturelles ou artificielles.

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

Techniques de mesure thermiques dans les dispositifs microfluidiques analytiques

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

Recherche

Ingénierie

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

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

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

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Mesure de la diffusion non-linéarités d&#39;une nanoparticule plasmonique Simple

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

Méthodes de mesure de l&#39;orientation et de rotation Taux de particules dans Turbulence 3D-imprimés

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

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

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

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Piège optique Chargement de Dielectric Microparticules Dans 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

Génération de taille-contrôlée Poly (éthylène Glycol) Diacrylate gouttelettes via Semi-3-Dimensional Flow mise au point des dispositifs microfluidiques

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

Développement de méthodes pour les études spectroscopiques diélectriques de cavité séroélectrique sans contact de papier cellulosique

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

Mesure des émissions du nombre de particules de conduite réelle du sous-23 Nanomètre à l’aide du système d’échantillonnage à faible valeur

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

Filage par soufflage en solution de fibres nanocomposites polymères pour équipement de protection individuelle

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