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

חלקים של עבודה זו היו נתמך על ידי קרן II-VI ו המענק החוף של שיפור מקצועי קרוליינה. אנחנו גם רוצים להכיר קורין ג'ייקובס, מארק Jendrassak, ויליאם הסוחר בשביל לעזור עם הארגון ניסיוני.

הערה: כל אנשי הצוות בקיצור תוך שימוש בטוח ואת הפעולה של Class IV לייזרים באותה מידה כמו שימוש בטוח ותפעול של כלי יד, כח.
1. הגדרת ניסיוני
<ol><li>PIV ההתקנה
	<ol><li>להגדיר את לייזר לחיבורי ואופטיקה.<ol>
<li>מקם את הלייזר בצלחת אופטי. רמה הלייזר ביחס לתחתית של המתקן (או לגבי הקרקע בעת...

<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>

השיטה המתוארת במסמך זה זולה יחסית, והוא מספק דרך פשוטה למדוד בו זמנית חלקיקים ו מערבולת כדי לבחון את ההשפעה של זרימה על חלקיק קינמטיקה. ראוי להזכיר כי זורם או תנועות חלקיקים הן בתוקף תלת-אינם מתאים היטב בטכניקה זו. Out-של-plane. ההצעה יגרום לשגיאות17 דו-ממדי מעקב וניתוח PIV, צריך להיות...

קיימים מספר רב של יישומים בתחומים מדעיים והנדסיים המערבות את אופן הפעולה של חלקיקים בתוך מערבולות זורם, לדוגמה, אירוסולים אווירה, מזהמים ו/או בחקר הנדסה מערכות ים מיקרו-אורגניזמים או משקעים של האוקיינוס1,2,3. במקרים כאלה, לעתים קרובות עניין כדי להבין איך החלקיקים להגיב מערבולת, אשר מחייב מדידת סימולטני קינמטיקה של חלקיקים ולא את הדינמיקה של נוזלים.
טכנולוגיות קיימות כדי למדוד חלקיק תנועות, שנקרא חלקיקים מעקב (PT), אשר עוקב אחר חלקיקים בודדים, טכניקה סטטיסטית של חלקיקים תמונה velocimetry4,5 (PIV), המשמש למדידת זרימה המהירויות, שניהם לשלב טכניקות אופטי פולשנית. האתגר העיקרי באמצעות טכניקות פולשנית אלה אופטי למדידת קינמטיקה זרימה וגם החלקיקים בו זמנית הוא ההארה נפרד הדרושים עבור כל טכניקת דימות יכולה להתערב מדידת דיוק (של האחר למשל, מקור תאורה למדידת קינמטיקה של חלקיקים לא יכול להתנהג כמקור משמעותי רעש מדידת מהירות נוזלים, ולהיפך). הניגוד בתמונה בין שני סטים של תמונות צריך להיות מספיק כדי להשיג תוצאות אמינות. לדוגמה, הדימויים PT מומרים לתמונות שחור-לבן על מנת לבצע ניתוח בועה כדי לקבוע עמדות חלקיקים; לכן, לא מספיק חדות מוביל שגיאות חלקיקים בעמדות. ניגודיות המסכן בכמויות תמונות PIV כדי יחס אות לרעש נמוך זה יגרום אי דיוקים אומדן בין המהירויות נוזלים.
. הנה, מתוארת שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית שתי המהירויות קינמטיקה ואת זרימת חלקיקים. באמצעות שימוש של אור מונוכרומטי ובעוצמת פולטות נורית led קו אור, איפה הקו מתייחס צמצם אור ולייזר בעוצמה גבוהה לחיבורי, שני חלקיקים של ריבית ואת השדה זרימת הם צילמו באותו אזור בו זמנית. הכוח גבוהה של ה-LED מספיקה ההדמיה של החלקיקים (מסומנים) על ידי המצלמה במהירות גבוהה אך לא משפיע על הדימויים PIV בגלל עוצמת האור המתפזרת המשדרים PIV הוא נמוך מדי. כאשר הלייזר בעצימות גבוהה לחיבורי מאירה השדה זרימה לתמונות PIV, היא מתרחשת על מרווח זמן קצר, תמונות אלה הם ולהסרה בקלות מתוך הסדרה זמן מתקבל על ידי המצלמה PT במהירות גבוהה בעת שהם רשומים. PIV לייזר פולסים הקליט בזמנו תמונה במהירות גבוהה (משמש עבור חלקיקים מעקב) סדרת ניתן למזער על ידי לא הפעלת את שתי המערכות במחירים רכישת מסגרת זה העולים בקנה אחד עם השני. ב setups מתקדמים יותר, יכולה להפעיל באופן חיצוני את המצלמות PT ו- PIV עם עיכוב זה יבטיח שזה לא קורה. בסופו של דבר, לפי שיקול דעת זהיר של כמות חלקיקי מסומנים בתוך PIV שדה הראייה (FOV), שגיאות שהוצגו על ידי החלקיקים מסומנים בניתוח המתאם של תמונות PIV כבר נלקחים בחשבון על ידי הערכת השגיאה הכללית, כולל שגיאות המשויכת עם התפלגות גודל לא אחידה של המשדרים PIV בתוך חלון החקירה. הרוב המכריע של PIV זריעה המשדרים עוקבים הזרם מניב הערכות מהירות זרימה מדויקים. טכניקות אלה מאפשרות מדידה ישירה בו זמנית את שני החלקיקים קינמטיקה וזרימה השדה מטוס דו מימדי.
טכניקה זו מומחש החלתו כדי לקבוע חלקיקים מתארגן מאפייני זרם מערבולות, הדומה לזו המשמשת במחקרים יאנג ואני ביישן6 . ג'ייקובס ואח 7. חלקיקים להתיישב הוא השלב הסופי בהעברה משקעים, המורכב בדרך כלל השעיה משקעים, תחבורה, להתיישב. מחקרים קודמים רוב יש לטפל בהן חלקיקים מתארגן מערבולות, או חלקיקים או המהירויות הסוערים לא נמדדים באופן ישיר אבל להסיק באופן תיאורטי או הוצג8,9,10. פרטים על האינטראקציות בין חלקיקי, מערבולת לרוב נחקרו באמצעות מודלים תיאורטיים ומספרי בגלל מגבלות ניסיוני במדידת את שניהם בו זמנית6,11. אנו מציגים חקר מקרה אינטראקציה של חלקיקים מערבולת מתקן רשת נדנוד, בו נלמד את מהירות שיקוע של חלקיקים שלהם צימוד עם מערבולות. למען הבהירות להלן נתייחס החלקיקים תחת חקירה 'חלקיקים', החלקיקים זריעה הטכניקה PIV משמש "המשדרים"; בנוסף, נתייחס המצלמה בשימוש עבור ההדמיה במהירות גבוהה של חלקיקים "חלקיקים מעקב", "PT" או מצלמה "מהיר", אשר מודד "מהיר" ותמונות המצלמה בשימוש עבור שיטת PIV "המצלמה PIV", אשר מודד "תמונות". השיטה המתוארת במסמך זה מאפשר את המדידה בו זמנית של חלקיקים קינמטיקה ודינמיקה נוזל מעל שדה מוגדר מראש של עניין בתוך המתקן. נתונים המתקבלים מספק תיאור דו-ממדית של האינטראקציה של חלקיקים מערבולת.

<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

בעיות רבות בתחומים מדעיים והנדסיים לערב הבנה קינמטיקה של חלקיקים בתוך מערבולות זורם, כגון מזהמים, מיקרו-אורגניזמים ימיים, ו/או בחקר האוקיינוס, או מיטה fluidized כורים בתהליכי בעירה מערכות הנדסה. על מנת ללמוד את ההשפעה של מערבולת על קינמטיקה חלקיקים ב זורם כזה, מדידות סימולטני של קינמטיקה זרימה וגם חלקיקים נדרשים. זרימה לא פולשני, אופטי טכניקות מדידה למדידת זרימה טורבולנטית, או למעקב אחר חלקיקים, אך מדידת שניהם בו זמנית יכול להיות מאתגר עקב הפרעה בין הטכניקות. השיטה המובאת במסמך זה מספק שיטה זולה ופשוטה יחסית כדי לבצע מדידות סימולטני של קינמטיקה זרימה, של חלקיקים. חתך רוחב של הזרם נמדד באמצעות טכניקה velocimetry (PIV) התמונה חלקיקים, אשר מספק שני רכיבים של מהירות במישור מדידה. טכניקה זו מנצל פעמו לייזר עבור תאורה של שדה הזרימה הזריעה היא תמונה על-ידי מצלמה דיגיטלית. קינמטיקה חלקיקים הם בו זמנית עם תמונה באמצעות אור פליטת נורית led קו אור המאיר חתך מישורי של הזרם זה חופף PIV השדה-of-view (FOV). האור הקו הוא של צריכת חשמל נמוכה מספיק, כי זה אינו משפיע על המדידות PIV, אבל חזק מספיק כדי להאיר את חלקיקים גדולים יותר עניין עם תמונה באמצעות המצלמה במהירות גבוהה. במהירות גבוהה תמונות המכילות את פעימות לייזר של הטכניקה PIV מסוננים בקלות על-ידי בדיקת רמת העוצמה מסוכם של כל תמונה במהירות גבוהה. בכך את קצב המסגרות של המצלמה במהירות גבוהה incommensurate עם זו של קצב המסגרות של המצלמה PIV, מספר המסגרות מזוהמים בסדרה זמן מהיר יכול להיות ממוזער. הטכניקה מתאימה זורם אומר כי הם בעיקר דו מימדי, מכילים חלקיקים לפחות 5 פעמים הקוטר אכזרי של PIV זריעה המשדרים, והוא נמוך בריכוז.

שרטוט של ההתקנה ניסיוני מוצג באיור1. האיור מציג את הסידור של גליונות אור (LED ו לייזר), החפיפה את FOVs, ואת המיקום של FOVs ביחס רשת נדנוד וקירות טנק. מערבולת של חלקיקים נמדדים בו-זמנית כמתואר בסעיף פרוטוקול. איור 2 מציג דוגמה תוצאות המדידות של מהיר?...

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

בטכניקה המתוארת במסמך זה מציע שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית קינמטיקה של חלקיקים, מערבולת, זורם עם ריכוז נמוך של חלקיקים. המערבולות נמדד באמצעות חלקיקים תמונה velocimetry (PIV), קינמטיקה של חלקיקים מחושבים מתוך תמונות שהושג עם מצלמה במהירות גבוהה ב- חופפים שדה-של-view.

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

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

תחומים רבים הן בהנדסה והן במדעי הטבע כרוכים בבעיות הקשורות לאינטראקציה של חלקיקי נוזלים. שיטה זו מספקת מדידה אופטית סימולטנית זולה יחסית, לא פולשנית, הן של מסלולי החלקיקים והן של מהירות הזרימה. כאן אנו מודדים את מהירות ההתיישבות של חלקיקי משקע בזרימה סוערת, ומאפשרים אפיון מפורט של מסלולי החלקיקים ובו זמנית מודדים מהירות סוערת באותו מיקום.כדי להתחיל את הגדרת מהירות תמונת החלקיק, לתקן ראש כפול בעוצמה גבוהה פולס לייזר ברמה אופקית על לוח אופטי, בקנה אחד עם מתקן הזרימה. מניחים עדשה גלילית בקו אחד עם הלייזר כדי לייצר מישור דו מימדי של אור שיהיה מתחת לרשת מתנודדת. לאחר מכן הר עדשה כדורית לאחר העדשה הגלילית במרחק שיפיק יריעת אור בעובי של 5 עד מילימטר אחד.לאחר מכן, מקם מצלמת CCD עם חשיפה כפולה בניצב לגיליון האור כדי להקליט תמונות עבור PIV. חבר עדשה למצלמה, הפעל אותה והגדר אותה למצב חופשי ורציף. מקד גס את מצלמת ה-PIV במתקן הזרימה הסוער.כוונן את הצמצם ואת מיקום המצלמה עד שהתמונה תקטן או תיסגר לגבולות גליון האור הרצויים. לאחר מכן כבה את המצלמה והפעיל את הלייזר בעוצמה נמוכה. ודא כי יריעת האור ניצבת לרצפה ולאחר מכן מקם יעד כיול המסומן ברשת בדיוק במרכז יריעת האור.חיוני לוודא שמצלמת ה-PIV ניצבת על יריעת האור ושסדין האור ניצב לרצפה או לתחתית המתקן. אי-התאמה גורמת להקרנות מהירות שגויות, ומכאן שגיאת מהירות נוזלית. כבה את הלייזר והדליק את המצלמה שוב.מקד את המצלמה ביעד הכיול וללכוד תמונה בודדת. פתח את התמונה בתוכנה לעיבוד תמונה ואשר כי המרווח בין השורות, הגובה והעמודות עקבי לאורך היעד. גודלי הסמן הפינתי צריכים להיות שונים לא יותר מפיקסל אחד ובאופן אידיאלי, הם צריכים להיות זהים.אם התמונה עומדת בקריטריונים אלה, הסר את יעד הכיול. התקן את הרשת והפעל את המתקן. ואז להציג על כף מלאה של חלקיקי מעקב PIV לנוזל.המתן עד שהמעקבים והנוזלים מעורבבים היטב לפני שתמשיך. לאחר מכן הפעל את הלייזר והגדר אותו לשליטה חיצונית וכוח גבוה. כבה את אורות החדר וללכוד זוג תמונות כדי להעריך את צפיפות המעקב.הגדל בהדרגה את ריכוז המעקב בכפית מלאה לצפיפות הראייה הרצויה. לאחר מכן הגדר את קצב המסגרות של מצלמת PIV לערך הגבוה ביותר האפשרי והגדר את השעה בין תמונות PIV עוקבות. ודא שתצורת הלייזר נקבעה כראוי.לאחר מכן לכבות את האורות ולאסוף נתונים במצב חופשי במשך כמה שניות. הצלב לתאם את זוגות התמונה ולאשר כי הנתונים שנרכשו הוא באיכות טובה. עצור את תנודות הרשת בסיום.כדי להתחיל בהגדרת מעקב חלקיקים דו-מימדי, מקם אור קו LED מונוכרומטי מתחת למתקן רשת התנודות כך שדף האור יהיה ממורכז בתוך קו ה- LED. הפעל את אור קו ה-LED ואת הלייזר בה הספק נמוך. ודא כי גיליון האור ותאורת הקו מיושרים היטב ולאחר מכן כבה אותם.לאחר מכן חבר עדשה למצלמת CMOS במהירות גבוהה שתשמש למעקב אחר חלקיקים. הפעל את המצלמה במצב רציף או חי חינם, והתמקד בה גס באזור העניין. כוונן את הגובה והמרחק של מצלמת המעקב אחר החלקיקים עד שאזור העניין יהיה עם שדה התצוגה שלו והמצלמה ברמה בניצב לאור הקו.כבה את המצלמה. הפעל את אור הקו והצב את יעד הכיול במרכז אור הקו. לאחר מכן כבה את אור הקו, הפעל את המצלמה ומקד אותו במטרה.לכוד תמונה של יעד הכיול ואשר שמצלמת המעקב אחר החלקיקים היא ברמה, בניצב ליעד ובפוקוס ללא עיוות תמונה בקצוות. הסר את יעד הכיול לאחר מכן. לאחר מכן הגדר את מספר התמונות במהירות גבוהה שיש לאסוף.בהתבסס על מהירות החלקיק הצפויה, הגדר את קצב המסגרות והרזולוציה לערכים שאמורים להשיג עקירת חלקיקים של שלושה עד עשרה פיקסלים בין תמונות. התקן את הרשת, הפעל את אור קו ה-LED והכהה את החדר. התחל את תנודות הרשת והכנס חלק קטן מחלקיקי העניין לזרימה.כאשר החלקיקים מופיעים במצלמה במהירות גבוהה, ללכוד כמה מסגרות. חשוב שמסלולי החלקיקים יהיו גלויים בבירור בתמונות, מה שמצביע על כך שהחלקיקים נשארים במישור ולא חופפים לעתים קרובות. אי עמידה בקריטריונים אלה תגרום חוסר יכולת לעקוב במדויק אחר החלקיקים.ודא שאין אפקטי כניסה גלויים, חפיפת חלקיקים היא נדירה, ותניית החלקיק היא בעיקר במישור. עצור את התנודות בסיום. כדי להתחיל בכיול הסופי, כשהאורות מעומעמים, מקם את יעד הכיול בתוך יריעות תאורת ה-LED והלייזר.כבה את הלייזר וה-LED והדלק את אורות החדר. ודא כי יעד הכיול נמצא במוקד בתוך FOVs המצלמה, ויש לו סימן ייחודי גלוי לשתי המצלמות. לכוד תמונה של יעד הכיול בשתי המצלמות.שימו לב למיקומים הרלוונטיים של הסימן הייחודי, ואשרו שהמצלמות עדיין ברמה ולא מראות עיוותים בקצוות. לאחר מכן הסר את יעד הכיול, התקן את הרשת והתחל את התנודות. תן לו לרוץ לפחות 20 דקות כדי לאפשר לזרימה להגיע למצב יציב.לאחר מכן להכהות את החדר, להפעיל את אור קו LED, ולהציג את החלקיקים לתוך הזרימה. בו זמנית להתחיל את פולסים לייזר ורכישת תמונה עבור שתי המערכות כאשר חלקיקים מופיעים במצלמת מעקב חלקיקים FOV. לאחר סיום רכישת הנתונים, שמור את התמונות והפסק את תנודות הרשת.נתח את התפלגות מהירות הזרימה ואת מסלולי החלקיקים. ניתן לעבד את תמונות ה- PIV במהירות נוזלים מיידית ובהפצות מערבולת. כאן התפלגות וקטור מהירות הנוזלים מכוסה במפת צבע מערבולת.עם התקנה זו, עוצמת הממוצע המרחבי של תנודות מהירות נוזלים בריבוע ממוצע שורש מעל שדה PIV של התצוגה צריך להגדיל עם תדירות תנודות עבור רכיבי מהירות אופקית ואנכית. מסלולי חלקיקים ומהירויות ניתן לקבוע מתוך תמונות מעקב חלקיקים במהירות גבוהה. התפלגות מהירות החלקיק צריכה להיות גסה.כאן חלקיקים גדולים יותר בצורה לא סדירה הראו בדרך כלל התפלגויות מהירות חלקיקים עם סטיות תקן גדולות יותר מאלה של החלקיקים הכדוריים הקטנים יותר. למרות ששתי קבוצות החלקיקים הראו התפלגויות עם מהירות אנכיות ממוצעות גדולות יותר וסטיות תקן גדולות יותר ככל שקצב התנודות ברשת גדל. זרימה עומדת יישוב מהירות של חלקיקים סינתטיים, חול תעשייתי, וחול שנאסף מקומית נקבע ממסלולי החלקיקים שלהם כל הסכים בערך עם עקומות דיטריך.הנטייה של חלקיקים יישוב מהירות כדי להגדיל עם תדירות תנודות רשת נחקרה עוד יותר בניתוח הבא. מדידה אופטית בו זמנית של קינטיקה חלקיקים ודינמיקת נוזלים, במיוחד מערבולת, היא מאתגרת בגלל הפוטנציאל להפרעות בין שתי טכניקות ההדמיה, וכתוצאה מכך אי דיוקים במדידה. זרימות תלת מימדיות חזקות אינן מתאימות היטב לטכניקה זו, מכיוון שתנועות מחוץ למישור ייצרו שגיאות הן במעקב הדו-ממדי והן בניתוח מהירות החלקיק.הריכוז של חלקיקים מסומנים חייב להיות נמוך יחסית כדי למקסם את הביטחון כי אותו חלקיק נמצא במעקב בתמונות עוקבות. כמו כן, עוקבי PIV והחלקיקים במעקב חייבים להיות שונים במידה מספקת בגודלם כדי להבחין ביניהם. השילוב של מידע מהירות הזרימה עם מסלול החלקיק תלוי במה שנחקר.לדוגמה, שיטה זו יכולה גם לבחון את מהירות הזרימה במקרים ספציפיים בזמן לאורך המסלול של החלקיק. טכניקה זו הודגמה עם הובלת מעים, יישום למדעי התנועה אך היא רלוונטית ביישומים רבים שבהם זרימת נוזלים אינטראקציה עם חלקיקים טבעיים או מעשה ידי אדם.

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

טכניקות מדידת תרמית במכשירי microfluidic אנליטי

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

פיתוח של התקנה ניסיונית עבור המדידה של מקדם התקומה בתנאי אבק

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

מדידת פיזור אי-לינאריות מNanoparticle Plasmonic יחיד

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

שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי 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

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של 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

טוען מלכודת אופטית של דיאלקטרי microparticles באוויר

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

דור של פולי שבשליטת גודל (אתילן גליקול) Diacrylate טיפות דרך דו-תלת-ממדי לזרום התמקדות Microfluidic מכשירים

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

פיתוח שיטה עבור מדעי החלל ללא מגע מכשירים ספקטרוסקופיים הדיאלקטרי של הנייר תאית

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

מדידת תת-23 ננומטר פליטת חלקיק נהיגה אמיתית באמצעות מערכת הדגימה הניידת DownToTen

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

פתרון סחיטה של סיבים ננו-מרוכבים פולימריים לציוד מגן אישי

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