Name: simultaneous measurement of turbulence and particle kinematics using flow imaging techniques
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00
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Teile dieser Arbeit wurden von der II-VI-Stiftung und der Coastal Carolina Professional Enhancement Zuschuss unterstützt. Wir würden auch gerne anerkennen, Corrine Jacobs, Marek Jendrassak und William Merchant für den Versuchsaufbau helfen.

Hinweis: Alle Mitarbeiter sollten in den sicheren Einsatz und Betrieb der Klasse IV-Laser sowie den sicheren Umgang und Betrieb von Hand und Elektrowerkzeugen geschult werden.
1. Versuchsanordnung
<ol><li>PIV-setup
	<ol><li>Richten Sie die Doppelkopf-Laser und Optik.<ol>
<li>Legen Sie den Laser auf eine optische Platte. Ebene des Lasers in Bezug auf der Unterseite der Anlage (oder in Bezug auf dem Boden, wenn es gewünscht ist, vertikale Geschwindigkeiten mit Gravitationsbes...

<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>

Die hier beschriebene Methode ist relativ kostengünstig und bietet eine einfache Möglichkeit, gleichzeitig Teilchen Flugbahnen und Turbulenzen zu messen, um den Einfluss der Strömung auf Partikel Kinematik zu untersuchen. Es ist zu erwähnen, dass Ströme oder Partikel-Bewegungen, die stark dreidimensional sind nicht geeignet für diese Technik sind bemerkenswert. Die Out-of-Plane-Bewegung führt zu Fehler17 in der 2D tracking und der PIV-Analyse und minimiert werden. Darüber hinaus erfordert ...

Es gibt eine große Anzahl von Anwendungen in wissenschaftlichen und technischen Bereichen, bei denen das Verhalten der Partikel in turbulente Strömungen, zum Beispiel, Aerosole in der Atmosphäre, Verunreinigungen und/oder Sedimente im Anlagenbau und marine Mikroorganismen oder Sediment in den Ozean1,2,3. In solchen Anwendungen ist es oft interessant zu verstehen, wie die Partikel zu Turbulenzen, reagieren die gleichzeitige Messung von Teilchen-Kinematik und die Fluiddynamik erfordert.
Vorhandene Technologien zur Messung von Teilchen Bewegungen, genannt Particle tracking (PT), die einzelnen Partikel Bahnen und die statistische Methode der Particle Image Velocimetry4,5 (PIV) Titel, verwendet zur Messung des Durchflusses Geschwindigkeiten, übernehmen beide berührungslose optische Verfahren. Die größte Herausforderung bei der Verwendung dieser berührungslose optische Techniken, um den Fluss und die Partikel Kinematik gleichzeitig zu messen ist die separate Beleuchtung für jede bildgebendes Verfahren, das eingegriffen werden kann und mit der anderen Messung (Genauigkeit erforderlich z. B. kann nicht der Beleuchtungsquelle für die Messung der Partikel-Kinematik als eine wesentliche Lärmquelle in der Fluidgeschwindigkeit Mess- und umgekehrt handeln). Den Kontrast des Bildes in beiden Sätzen von Bildern muss ausreichen, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Beispielsweise werden die PT-Bilder in schwarz / weiß-Bilder konvertiert, um ein Blob-Analyse zur Ermittlung der Partikelpositionen durchzuführen; so führt nicht genügend Kontrast zu Fehlern bei der Partikel Position. Schlechten Kontrast in PIV Bilder beläuft sich auf einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis, die Ungenauigkeiten bei Schätzung der Flüssigkeiten Geschwindigkeiten verursachen wird.
Hier ist eine relativ kostengünstige und einfache Methode, um gleichzeitig beide Teilchen Kinematik und Fluss Geschwindigkeiten messen beschrieben. Durch den Einsatz eines Hochleistungs-monochromatisches Licht emittierende Diode (LED) Linie Licht, wo die Linie bezieht sich auf die Lichtblende und Doppelkopf-hochintensive Laser, sind sowohl die Partikel von Interesse und das Strömungsfeld gleichzeitig in derselben Region abgebildet. Die hohe Leistung der LED ist ausreichend für die Bildgebung der (Tracking) Partikel von der High-Speed-Kamera aber hat keinen Einfluss die PIV-Bilder, da die Lichtintensität verstreut von PIV Tracer zu niedrig ist. Wenn der Doppelkopf-hochintensive Laser beleuchtet das Strömungsfeld für die PIV-Bilder, es erfolgt über ein kurzes Zeitintervall und diese Bilder sind leicht identifiziert und entfernt aus der Zeitreihe durch PT-Hochgeschwindigkeitskamera erhalten, wenn sie registriert sind. PIV laser Impulse aufgenommen in die High-Speed-Bild (verwendet für Partikel tracking) Zeit, die Serie minimiert werden kann, indem man nicht die beiden Systeme bei Erwerb Frameraten, die einander entsprechen. In weiter fortgeschrittenen-Setups könnte eine extern PT und PIV-Kameras mit einer Verzögerung auslösen, die dafür sorgen würde, dass dies nicht der Fall. Schließlich werden durch sorgfältige Prüfung der Höhe der Partikel, die im Rahmen der PIV-Sichtfeld (FOV) verfolgt, eingeführt durch diese verfolgten Teilchen in der Korrelationsanalyse PIV Bilder Fehler bereits durch die gesamte Fehlerschätzung berücksichtigt, auch Fehler im Zusammenhang mit ungleichmäßigen Größenverteilung der PIV-Tracer im Verhör-Fenster. Die überwiegende Mehrheit der PIV Aussaat Tracer folgen die Strömung, genaue Flow Velocity Schätzungen nachgeben. Diese Techniken ermöglichen die gleichzeitige direkte Messung der beiden Teilchen Kinematik und Flow Bereich in einer zweidimensionalen Ebene.
Diese Technik zeigt sich durch die Anwendung, um festzustellen, Partikel absetzen Merkmale in eine turbulente Strömung, ähnlich wie in den Studien von Yang und schüchtern6 und Jacobs Et al. 7. Partikel absetzen ist die letzte Stufe in der Sedimenttransport, besteht im Allgemeinen aus Sediment Federung, Transport und absetzen. In den meisten früheren Studien, die Partikel absetzen in turbulente Strömungen gerichtet haben, entweder Partikel Trajektorien oder turbulente Geschwindigkeiten nicht direkt gemessen, sondern theoretisch abgeleitet oder modelliert8,9,10. Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Turbulenzen in den meisten Fällen wurden untersucht anhand von theoretischen und numerischen Modellen aufgrund der experimentellen Einschränkungen bei der Messung beide gleichzeitig6,11. Wir präsentieren eine Partikel-Turbulenzen Interaktion Fallstudie in einer oszillierenden Raster-Anlage, wo wir die Sinkgeschwindigkeit der Partikel und deren Kopplung mit Turbulenzen zu studieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im folgenden die Partikel unter Untersuchung als "Partikel" und die Aussaat Partikel verwendet für die PIV-Technik als "Tracer"; bezeichnet Darüber hinaus verweisen wir auf die Kamera verwendet für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Partikel Bahnen als "Particle Tracking", "PT" oder "High-Speed"-Kamera, die "High-Speed-Bilder" und die Kamera verwendet für die PIV-Methode "PIV-Kamera" Maßnahmen, die Maßnahmen "Bilder". Die hier beschriebene Methode ermöglicht die gleichzeitige Messung von Partikeln Kinematik und Dynamik von Flüssigkeiten über ein vordefiniertes Feld von Interesse innerhalb der Anlage. Die gewonnenen Daten liefert eine zweidimensionale Beschreibung der Partikel-Turbulenzen Interaktion.

<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

Zahlreiche Probleme im Natur- und ingenieurwissenschaftliche Felder beinhalten Verständnis der Kinematik von Partikeln in turbulente Strömungen, wie Schadstoffe, marine Mikroorganismen und/oder Sedimente in den Ozean, oder die Wirbelschicht Reaktoren und Verbrennungsprozessen in Anlagenbau. Um die Auswirkungen der Turbulenzen auf die Kinematik der Partikel in solche Strömungen zu studieren, werden gleichzeitige Messungen von den Fluss und die Partikel Kinematik benötigt. Non-intrusive, optischen Fluss Messverfahren zur Messung von Turbulenzen oder für die Verfolgung von Teilchen, existieren aber beides gleichzeitig messen kann aufgrund von Interferenzen zwischen den Techniken schwierig sein. Die hier vorgestellte Methode bietet eine relativ einfache und kostengünstige Methode, um gleichzeitige Messung der Strömung und Partikel Kinematik machen. Ein Querschnitt durch die Strömung wird mit eine Particle Image Velocimetry (PIV) Technik, die bietet zwei Komponenten der Geschwindigkeit in der Messebene gemessen. Diese Technik nutzt einen gepulste Laser für die Beleuchtung des kernigen Strömungsfeldes, die mit einer digitalen Kamera abgebildet ist. Die Partikel-Kinematik sind gleichzeitig abgebildet mit eine Licht emittierende Diode (LED) Linie Licht, das einen planaren Querschnitt des Flusses, die mit der PIV Field beleuchtet-of-View (FOV) überschneidet. Die Linie Licht ist niedrig genug macht, dass es hat keinen Einfluss auf die PIV-Messungen, aber stark genug, um die größeren Partikel von Interesse zu beleuchten abgebildet mit der High-Speed-Kamera. High-Speed-Bilder, die die Laserpulse aus die PIV-Technik enthalten sind leicht gefiltert durch die Untersuchung der summierte Intensität jedes High-Speed-Bildes. Dadurch, dass die Frame-Rate der High-Speed-Kamera mit derjenigen der PIV-Kamera-Frame-Rate, kann die Anzahl der kontaminierten Frames in der High-Speed-Zeitreihe minimiert werden. Die Technik eignet sich für mittlere fließt, die überwiegend zweidimensional sind, enthalten Partikel, die sind mindestens 5 Mal der mittlere Durchmesser der PIV Aussaat Tracer und niedrige Konzentration.

Eine schematische Darstellung der Versuchsanordnung ist in Abbildung 1dargestellt. Die Abbildung zeigt die Anordnung der hellen Blätter (LED und Laser), die Überlappung in der FOVs und die Position des FOVs im Vergleich zu den oszillierenden Raster und Tankwänden. Die Turbulenzen und Partikel werden gleichzeitig, wie im Abschnitt Protokoll beschrieben gemessen. Abbildung 2 zeigt Beispielergebnisse der Messungen der momentanen ...

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Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Die hier beschriebene Technik bietet eine relativ einfache und kostengünstige Methode, um simultane Messung von Teilchen Kinematik und Turbulenz in Strömungen mit niedrigen Partikelkonzentrationen. Die Turbulenzen wird mittels Particle Image Velocimetry (PIV) gemessen, und Partikel Kinematik errechnen sich aus Bildern, die mit einer Hochgeschwindigkeitskamera in überlappenden Sichtfeld.

Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren

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

Zahlreiche Bereiche der Technik und der Naturwissenschaften sind mit Problemen im Zusammenhang mit der Wechselwirkung von Fluidpartikeln verbunden. Diese Methode ermöglicht eine relativ kostengünstige, nicht-intrusive simultane optische Messung sowohl der Partikelbahnen als auch der Strömungsgeschwindigkeiten. Hier messen wir die Setzgeschwindigkeiten von Sedimentpartikeln in einem turbulenten Fluss, ermöglichen eine detaillierte Charakterisierung der Teilchenbahnen und messen gleichzeitig turbulente Geschwindigkeiten an der gleichen Stelle.Um die Partikelbild-Velocimetrie-Einrichtung zu beginnen, fixieren Sie einen Dual-Head-Pulslaser mit hoher Intensität horizontal auf einer optischen Platte, in Übereinstimmung mit der Durchflusseinrichtung. Platzieren Sie eine zylindrische Linse in der Linie mit dem Laser, um eine 2D-Lichtebene zu erzeugen, die sich unterhalb des oszillierenden Rasters befindet. Montieren Sie dann eine kugelförmige Linse nach der zylindrischen Linse in einem Abstand, der eine 5 bis 1 Millimeter dicke Lichtplatte erzeugt.Als nächstes platzieren Sie eine DoppelbelichtungCCD-Kamera senkrecht zum Lichtblatt, um Bilder für PIV aufzuzeichnen. Befestigen Sie ein Objektiv an der Kamera, schalten Sie es ein, und stellen Sie es in den freien und kontinuierlichen Modus ein. Konzentrieren Sie die PIV-Kamera grob auf die turbulente Strömungsanlage.Passen Sie die Blende und die Kameraposition an, bis das Bild kleiner oder nahe an den gewünschten Lichtblattgrenzen ist. Schalten Sie dann die Kamera aus und schalten Sie den Laser mit geringer Intensität ein. Bestätigen Sie, dass das Lichtblatt senkrecht zum Boden liegt, und platzieren Sie dann ein Kalibrierziel, das mit einem Raster genau in der Mitte des Lichtbogens markiert ist.Es ist wichtig sicherzustellen, dass die PIV-Kamera senkrecht zum Lichtbogen ist und dass das Lichtblatt senkrecht zum Boden oder zum Boden der Anlage ist. Fehlausrichtung führt zu falschen Geschwindigkeitsprojektionen und damit zu Flüssigkeitsgeschwindigkeitsfehlern. Schalten Sie den Laser aus und schalten Sie die Kamera wieder ein.Konzentrieren Sie die Kamera auf das Kalibrierziel und erfassen Sie ein einzelnes Bild. Öffnen Sie das Bild in der Bildverarbeitungssoftware, und bestätigen Sie, dass der Zeilen-, Höhen- und Spaltenabstand im gesamten Ziel konsistent ist. Die Eckenmarkierungsgrößen sollten sich um nicht mehr als ein Pixel unterscheiden und idealerweise identisch sein.Wenn das Bild diese Kriterien erfüllt, entfernen Sie das Kalibrierungsziel. Installieren Sie das Raster, und führen Sie die Einrichtung aus. Dann führen Sie etwa einen Esslöffel voller PIV Tracer Partikel in die Flüssigkeit.Warten Sie, bis die Tracer und Flüssigkeit gut gemischt sind, bevor Sie fortfahren. Schalten Sie dann den Laser ein und stellen Sie ihn auf externe Steuerung und hohe Leistung ein. Schalten Sie die Raumbeleuchtung aus, und erfassen Sie ein Bildpaar, um die Tracerdichte auszuwerten.Nach und nach erhöhen Sie die Tracer-Konzentration durch Teelöffel-Vollauflinien auf die gewünschte visuelle Dichte. Legen Sie dann die PIV-Kamerabildrate auf den höchstmöglichen Wert fest und legen Sie die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden PIV-Bildern fest. Vergewissern Sie sich, dass der Laser entsprechend konfiguriert ist.Schalten Sie dann die Lichter aus und sammeln Sie Daten im freien Modus für ein paar Sekunden. Kreuz korrelieren die Bildpaare und bestätigen, dass die erfassten Daten von guter Qualität sind. Stoppen Sie die Gitterschwingung, wenn Sie fertig sind.Um mit der Einrichtung der 2D-Partikelverfolgung zu beginnen, platzieren Sie eine monochromatische LED-Leitungsleuchte unter der Schwingungsgitter-Anlage, damit die Lichtplatte innerhalb der LED-Linie zentriert wird. Schalten Sie das LED-Leitungslicht und den Laser bei geringer Leistung ein. Bestätigen Sie, dass das Lichtblatt und die Linienleuchte gut ausgerichtet sind, und schalten Sie sie dann aus.Als nächstes befestigen Sie ein Objektiv an einer CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera, die für die Partikelverfolgung verwendet werden soll. Schalten Sie die Kamera im freien Kontinuierlichen- oder Live-Modus ein und konzentrieren Sie sie grob auf den Interessenbereich. Passen Sie die Blendenhöhe und -entfernung der Partikelverfolgungskamera an, bis der Interessenbereich mit ihrem Sichtfeld ist und die Kamera eben und senkrecht zum Linienlicht ist.Schalten Sie die Kamera aus. Schalten Sie das Linienlicht ein und platzieren Sie das Kalibrierziel in der Mitte des Linienlichts. Schalten Sie dann das Linienlicht aus, schalten Sie die Kamera ein und fokussieren Sie sie auf das Ziel.Erfassen Sie ein Bild des Kalibrierziels und bestätigen Sie, dass die Partikelverfolgungskamera eben, senkrecht zum Ziel und im Fokus ohne Bildverzerrung an den Rändern ist. Entfernen Sie anschließend das Kalibrierziel. Legen Sie dann die Anzahl der zu sammelnden Hochgeschwindigkeitsbilder fest.Legen Sie basierend auf der erwarteten Partikelgeschwindigkeit die Bildrate und Auflösung auf Werte fest, die eine Partikelverschiebung von drei bis zehn Pixeln zwischen den Bildern erreichen sollen. Installieren Sie das Raster, schalten Sie das LED-Leitungslicht ein, und verdunkeln Sie den Raum. Starten Sie die Gitterschwingung und führen Sie einen kleinen Teil der Partikel von Interesse in den Fluss ein.Wenn die Partikel auf der Hochgeschwindigkeitskamera erscheinen, erfassen Sie einige Frames. Es ist wichtig, dass die Partikelspuren in den Bildern deutlich sichtbar sind, was darauf hinweist, dass die Partikel in der Ebene verbleiben und sich nicht häufig überlappen. Wenn diese Kriterien nicht erfüllt werden, kann man die Partikel nicht genau verfolgen.Vergewissern Sie sich, dass es keine sichtbaren Eingangseffekte gibt, partikelüberlappen ist selten, und Partikelbewegung befindet sich in erster Linie in der Ebene. Stoppen Sie die Schwingung, wenn Sie fertig sind. Um die endgültige Kalibrierung zu beginnen, platzieren Sie mit gedimmten Lichtern das Kalibrierziel in die LED- und Laserlichtblätter.Schalten Sie den Laser und die LED aus und schalten Sie die Raumbeleuchtung ein. Stellen Sie sicher, dass das Kalibrierziel innerhalb der Kamera-FOVs im Fokus ist und eine eindeutige Markierung für beide Kameras sichtbar ist. Erfassen Sie ein Bild des Kalibrierziels auf beiden Kameras.Beachten Sie die relevanten Platzierungen der eindeutigen Markierung, und bestätigen Sie, dass die Kameras immer noch eben sind und keine Verzerrung um die Kanten zeigen. Entfernen Sie dann das Kalibrierziel, installieren Sie das Raster, und starten Sie die Schwingung. Lassen Sie es für mindestens 20 Minuten laufen, damit der Fluss einen stabilen Zustand erreicht.Dann verdunkeln Sie den Raum, schalten Sie die LED-Leitung Licht, und führen Sie die Partikel in den Fluss. Starten Sie gleichzeitig die Laserpulse und die Bildaufnahme für beide Systeme, wenn Partikel in der Partikelverfolgungskamera FOV erscheinen. Wenn die Datenerfassung abgeschlossen ist, speichern Sie die Bilder und stoppen Sie die Gitterschwingung.Analysieren Sie die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung und die Partikelbahnen. Die PIV-Bilder können zu sofortigen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten und Wirbelverteilungen verarbeitet werden. Hier wird die Fluidgeschwindigkeitsvektorverteilung auf einer Wirbelfarbkarte überlagert.Mit diesem Setup sollte die Größe des räumlichen Mittelwerts der wurzelmittleren quadrierten Strömungsgeschwindigkeitsschwankung über das PIV-Sichtfeld mit der Schwingungsfrequenz sowohl für horizontale als auch vertikale Geschwindigkeitskomponenten zunehmen. Partikelbahnen und Geschwindigkeiten können aus den Hochgeschwindigkeits-Partikelverfolgungsbildern bestimmt werden. Die Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten sollte grob gaussisch sein.Hier zeigten größere unregelmäßig formende Partikel in der Regel Partikelgeschwindigkeitsverteilungen mit größeren Standardabweichungen als die der kleineren, kugelförmigen Teilchen. Obwohl beide Gruppen von Teilchen Verteilungen mit größeren mittleren vertikalen Geschwindigkeiten und größeren Standardabweichungen zeigten, als die Netzschwingungsrate zunahm. Die stagnierenden Strömungsabsetzgeschwindigkeiten von synthetischen Teilchen, Industriesand und lokal gesammeltem Sand, der aus ihren Teilchenbahnen bestimmt wurde, stimmten alle grob mit den Dietrich-Kurven überein.Die Tendenz von Teilchen, die Geschwindigkeiten mit der Netzschwingungsfrequenz ansteigen lassen, wurde in der nachfolgenden Analyse weiter untersucht. Die gleichzeitige optische Messung sowohl der Partikelkinetik als auch der Fluiddynamik, insbesondere der Turbulenzen, ist aufgrund des Störpotenzials zwischen den beiden bildgebenden Verfahren, die zu Messungenauigkeiten führen, eine Herausforderung. Ströme, die stark dreidimensional sind, eignen sich nicht gut für diese Technik, da bewegungen aus ebenen Gründen sowohl bei der 2D-Tracking- als auch in der Partikel-Velocimetrie-Analyse Fehler verursachen.Die Konzentration von verfolgten Teilchen muss relativ gering sein, um die Sicherheit zu maximieren, dass dasselbe Teilchen in aufeinander folgenden Bildern nachverfolgt wird. Außerdem müssen PIV-Tracer und die verfolgten Partikel in ihrer Größe ausreichend unterschiedlich sein, um sie zu unterscheiden. Die Integration der Strömungsgeschwindigkeitsinformationen mit der Partikelbahn hängt davon ab, was untersucht wird.Diese Methode kann z. B. auch die Strömungsgeschwindigkeiten in bestimmten Instanzen in der Zeit entlang der Flugbahn des Partikels untersuchen. Diese Technik wurde mit Sedimenttransport demonstriert, einer Anwendung für Bewegungswissenschaften, aber sie ist in vielen Anwendungen relevant, bei denen der Flüssigkeitsfluss mit natürlichen oder vom Menschen hergestellten Partikeln interagiert.

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