Name: simultaneous measurement of turbulence and particle kinematics using flow imaging techniques
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00
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Parti di questo lavoro sono stati sostenuti dalla Fondazione II-VI e la concessione di valorizzazione professionale Carolina costiero. Vorremmo anche riconoscere Corrine Jacobs, Marek Jendrassak e William Merchant per aiutare con la messa a punto sperimentale.

Nota: Tutto il personale devono essere addestrato nell'uso sicuro e operazione di laser di classe IV anche come l'uso sicuro e funzionamento della mano ed attrezzi a motore.
1. sperimentale
<ol><li>Installazione di PIV
	<ol><li>Impostare la doppia testina laser e ottica.<ol>
<li>Posizionare il laser su una piastra di ottica. Livellare il laser rispetto alla parte inferiore della struttura (o rispetto a terra se si desidera avere velocità verticale allineata con accelerazion...

<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>

Il metodo qui descritto è relativamente poco costoso e fornisce un modo semplice per misurare simultaneamente le traiettorie delle particelle e turbolenza al fine di esaminare l'influenza del flusso sulla cinematica delle particelle. È degno di menzione che flussi o movimenti delle particelle che sono fortemente tridimensionali non sono adatti per questa tecnica. Il movimento fuori del piano si tradurrà in errori17 in 2D di rilevamento e l'analisi PIV e deve essere ridotto al minimo. Inoltre, i...

Esistono un gran numero di applicazioni in campi di ingegneria e scientifiche che coinvolgono il comportamento delle particelle in flussi turbolenti, ad esempio, aerosol l'atmosfera, contaminanti e/o sedimenti nei sistemi ingegnerizzati e marine micro-organismi o sedimento in oceano1,2,3. In tali applicazioni, è spesso di interesse per capire come le particelle rispondono alla turbolenza, che richiede la misura simultanea della cinematica delle particelle e la dinamica dei fluidi.
Le tecnologie esistenti per misurare movimenti delle particelle, chiamate particelle di rilevamento (PT), che tiene traccia delle singole particelle traiettorie e la tecnica statistica di particle image velocimetry4,5 (PIV), utilizzato per misurare il flusso velocità, entrambi incorporano tecniche ottiche non intrusiva. La sfida principale nell'utilizzo di queste tecniche ottiche non intrusiva per misurare il flusso e la particella cinematica contemporaneamente è l'illuminazione separata richiesta per ogni tecnica di imaging che non può interferire con dell'altro misurazione precisione ( ad esempio, la fonte di illuminazione per la misura della cinematica delle particelle non può agire come una fonte di rumore significativo nella misurazione della velocità del fluido e viceversa). Il contrasto dell'immagine in entrambi gli insiemi di immagini deve essere sufficiente per ottenere risultati affidabili. Ad esempio, le immagini di PT sono convertite in immagini in bianco e nero al fine di eseguire un'analisi di blob per determinare le posizioni delle particelle; così, contrasto insufficiente porta a errori nella posizione della particella. Scarso contrasto pari a PIV immagini un basso rapporto segnale-rumore che causerà imprecisioni nella stima della velocità del fluido.
Qui, un relativamente basso costo e semplice metodo per misurare simultaneamente entrambe le velocità cinematica e flusso di particelle è descritto. Attraverso l'uso di una luce monocromatica ad alta potenza che emettono linea diodo (LED) luce, dove la linea si riferisce alla luce e laser ad alta intensità doppia testina, entrambe le particelle di interesse e il campo di flusso sono Imaging contemporaneamente nella stessa regione. L'alto potere del LED è sufficiente per l'imaging delle particelle (cingolate) dalla telecamera ad alta velocità ma non impatto le immagini PIV poiché l'intensità della luce sparso da traccianti PIV è troppo basso. Quando il laser ad alta intensità doppia testina illumina il campo di flusso per le immagini PIV, si verifica in un intervallo di tempo breve e queste immagini sono facilmente identificate e rimossi dalla serie tempo ottenuti dalla telecamera ad alta velocità PT quando vengono registrati. PIV laser impulsi registrati nel tempo immagini ad alta velocità (usato per particella di rilevamento) serie possono essere minimizzati eseguendo non i due sistemi al frame rate di acquisizione che sono commisurati a vicenda. Nelle configurazioni più avanzate, uno potrebbe innescare esternamente le telecamere PT e PIV con un ritardo che garantirebbe che questo non accade. Infine, da un'attenta considerazione della quantità di particelle rilevate nel PIV campo visivo (FOV), eventuali errori introdotti da queste particelle rilevate in analisi di correlazione di immagini PIV già si tiene conto per la stima dell'errore complessivo, compresi gli errori associati con distribuzione non uniforme di traccianti PIV all'interno della finestra di interrogatorio. La stragrande maggioranza dei PIV semina traccianti stanno seguendo il flusso, producendo le stime di velocità di flusso preciso. Queste tecniche consentono la misura diretta simultanea di entrambi la cinematica e flusso campo particella in un piano bidimensionale.
Questa tecnica è illustrata applicandolo per determinare delle particelle stabilirsi caratteristiche in un flusso turbolento, simile a quello utilizzato negli studi di Yang e timido6 e Jacobs et al. 7. sedimentazione delle particelle è la fase finale nel trasporto di sedimenti, che in genere consiste di sospensione dei sedimenti, trasporto e sedimentazione. Nella maggior parte degli studi precedente che hanno affrontato delle particelle stabilirsi in flussi turbolenti, o traiettorie delle particelle o turbolenta velocità non sono misurate direttamente ma dedotta teoricamente o modellato8,9,10. Dettagli sulle interazioni tra particelle e turbolenza più spesso sono stati studiati utilizzando modelli teorici e numerici a causa delle limitazioni sperimentali in misura entrambi contemporaneamente6,11. Presentiamo uno studio finalizzato di interazione particella-turbolenza in una struttura di griglia oscillante, dove si studiano la velocità di sedimentazione delle particelle e loro accoppiamento con turbolenza. Per chiarezza, in seguito si farà riferimento alle particelle sotto inchiesta come "particelle" e le particelle semina utilizzate per la tecnica PIV come "traccianti"; Inoltre, si farà riferimento alla fotocamera utilizzata per l'imaging ad alta velocità delle traiettorie delle particelle come il "rilevamento delle particelle", "PT" o "alta velocità" fotocamera, che misura "immagini ad alta velocità" e la fotocamera utilizzata per il metodo PIV "fotocamera PIV", che misura "immagini". Il metodo qui descritto consente la misura simultanea di particelle cinematica e dinamica dei fluidi sopra un campo pre-definito di interesse all'interno della struttura. I dati ottenuti forniscono una descrizione bidimensionale dell'interazione particella-turbolenza.

<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

Numerosi problemi in campi scientifici e ingegneristici coinvolgono comprensione della cinematica delle particelle in flussi turbolenti, come contaminanti, micro-organismi marini, e/o sedimenti nell'oceano, o reattori a letto fluidizzato e processi di combustione sistemi ingegnerizzati. Al fine di studiare l'effetto della turbolenza sulla cinematica delle particelle in tali flussi, sono necessarie misure simultanee della cinematica delle particelle sia il flusso. Esistono tecniche di misurazione di flusso non-intrusivo, ottici per la misurazione di turbolenza, o per tenere traccia delle particelle, ma entrambi di misura contemporaneamente può essere difficile a causa dell'interferenza tra le tecniche. Il metodo presentato qui fornisce un metodo relativamente semplice e basso costo per rendere misure simultanee della cinematica della particella e di flusso. Una sezione trasversale del flusso è misurata usando una tecnica di particella image velocimetry (PIV), che fornisce due componenti della velocità sul piano di misurazione. Questa tecnica utilizza un laser pulsato per illuminazione del campo di flusso teste di serie che è ripreso da una fotocamera digitale. La cinematica delle particelle sono contemporaneamente Imaging utilizzando una luce che emettono diodi (LED) linea luce che illumina una sezione trasversale planare del flusso che si sovrappone con la PIV campo di vista (FOV). La luce di linea è di potere abbastanza basso che essa non pregiudica le misure PIV, ma abbastanza potente per illuminare le particelle più grandi di interesse Imaging utilizzando la macchina fotografica ad alta velocità. Immagini ad alta velocità che contengono gli impulsi laser dalla tecnica PIV sono facilmente filtrate esaminando il livello di intensità sommata di ogni immagine ad alta velocità. Rendendo la frequenza dei fotogrammi della telecamera ad alta velocità incommensurabile con quello della frequenza fotogrammi fotocamera PIV, il numero di fotogrammi contaminati nelle serie temporali ad alta velocità può essere minimizzato. La tecnica è adatta per flussi medi che sono prevalentemente bidimensionali, contengono particelle che sono almeno 5 volte il diametro medio di PIV semina traccianti e sono bassi nella concentrazione.

Un disegno schematico dell'apparato sperimentale è illustrato nella Figura 1. La figura mostra la disposizione dei fogli di luce (LED e laser), la sovrapposizione nella FOVs e la posizione della FOVs rispetto alla griglia oscillante e le pareti del serbatoio. La turbolenza e le particelle sono misurate simultaneamente, come descritto nella sezione protocollo. La figura 2 Mostra i risultati di esempio delle misurazioni della velo...

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Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

La tecnica descritta nel presente documento offre un metodo relativamente semplice e basso costo per misurare simultaneamente la cinematica delle particelle e turbolenza dei flussi con concentrazioni di particelle basso. La turbolenza è misurata usando particle image velocimetry (PIV) e cinematica delle particelle sono calcolati dalle immagini ottenute con una fotocamera ad alta velocità in un campo di vista sovrapposto.

Misura simultanea di turbolenza e la cinematica delle particelle utilizzando tecniche di formazione immagine di flusso

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

Numerosi campi sia in ingegneria che in scienze naturali comportano problemi associati all'interazione delle particelle fluide. Questo metodo fornisce una misurazione ottica simultanea relativamente a basso costo e non intrusiva sia delle traiettorie delle particelle che delle velocità di flusso. Qui misuriamo le velocità di sedimentazione delle particelle di sedimento in un flusso turbolento, consentendo una caratterizzazione dettagliata delle traiettorie delle particelle e misurando contemporaneamente velocità turbolente nella stessa posizione.Per iniziare la configurazione della velocimetria dell'immagine delle particelle, fissare un laser a impulsi ad alta intensità a doppia testa orizzontalmente su una piastra ottica, in linea con la struttura di flusso. Posizionare una lente cilindrica in linea con il laser per produrre un piano di luce 2D che sarà al di sotto della griglia oscillante. Quindi montare una lente sferica dopo la lente cilindrica a una distanza che genererà un foglio luminoso spesso da 5 a un millimetro.Quindi, posizionare una fotocamera CCD a doppia esposizione perpendicolarmente al foglio luminoso per registrare le immagini per PIV. Collegare un obiettivo alla fotocamera, accenderlo e impostarlo in modalità libera e continua. Focalizzare grossolanamente la fotocamera PIV sulla turbolenta struttura di flusso.Regolare l'apertura e la posizione della fotocamera fino a quando l'immagine non è più piccola o vicina ai limiti desiderati del foglio luminoso. Quindi spegnere la fotocamera e accendere il laser a bassa intensità. Verificare che la scheda luminosa sia perpendicolare al pavimento, quindi posizionare un bersaglio di calibrazione contrassegnato con una griglia esattamente al centro della scheda luminosa.È essenziale assicurarsi che la fotocamera PIV sia perpendicolare al foglio luminoso e che il foglio luminoso sia perpendicolare al pavimento o al fondo della struttura. Il disallineamento si traducono in proiezioni di velocità errate, e quindi errore di velocità del fluido. Spegnere il laser e ria riass parte della fotocamera.Mettere a fuoco la fotocamera sulla destinazione di calibrazione e acquisire una singola immagine. Aprire l'immagine nel software di elaborazione delle immagini e verificare che la spaziatura tra riga, altezza e colonna sia coerente in tutta la destinazione. Le dimensioni dei marcatori d'angolo dovrebbero differire di non più di un pixel e, idealmente, dovrebbero essere identiche.Se l'immagine soddisfa questi criteri, rimuovere la destinazione di calibrazione. Installare la griglia ed eseguire la struttura. Quindi introdurre circa un cucchiaio pieno di particelle di tracciante PIV al fluido.Attendere che i traccianti e il fluido siano ben miscelati prima di continuare. Quindi accendere il laser e impostarlo sul controllo esterno e sull'alta potenza. Spegnere le luci della stanza e acquisire una coppia di immagini per valutare la densità del tracciante.Aumentare gradualmente la concentrazione di traccianti da cucchiaini pieni alla densità visiva desiderata. Quindi impostare la frequenza fotogrammi della fotocamera PIV sul valore più alto possibile e impostare il tempo tra le immagini PIV consecutive. Verificare che il laser sia configurato in modo appropriato.Quindi spegni le luci e raccogli i dati in modalità libera per alcuni secondi. Correlare le coppie di immagini e confermare che i dati acquisiti sono di buona qualità. Interrompere l'oscillazione della griglia al termine.Per iniziare a configurare il tracciamento delle particelle 2D, posizionare una luce di linea LED monocromatica sotto la struttura della griglia di oscillazione in modo che la scheda luminosa venga centrata all'interno della linea LED. Accendere la luce della linea LED e il laser a bassa potenza. Verificare che il foglio luminoso e la luce della linea siano ben allineati, quindi spegnerli.Quindi collegare un obiettivo a una telecamera CMOS ad alta velocità da utilizzare per il tracciamento delle particelle. Accendere la fotocamera in modalità continua o live gratuita e focalirla grossolanamente sulla regione di interesse. Regolare l'altezza e la distanza dell'apertura della fotocamera di tracciamento delle particelle fino a quando la regione di interesse non è con il suo campo visivo e la fotocamera è livellata e perpendicolare alla luce della linea.Spegni la fotocamera. Accendere la luce della linea e posizionare il bersaglio di calibrazione al centro della luce di linea. Quindi spegnere la luce della linea, accendere la fotocamera e focalizzare la destinazione.Acquisire un'immagine della destinazione di calibrazione e verificare che la fotocamera di tracciamento delle particelle sia livellata, perpendicolare alla destinazione e messa a fuoco senza distorsioni dell'immagine ai bordi. Rimuovere il bersaglio di calibrazione in seguito. Quindi imposta il numero di immagini ad alta velocità da raccogliere.In base alla velocità prevista delle particelle, impostare la frequenza fotogrammi e la risoluzione su valori che dovrebbero raggiungere lo spostamento delle particelle da tre a 10 pixel tra le immagini. Installare la griglia, accendere la luce della linea LED e scurire la stanza. Avviare l'oscillazione della griglia e introdurre una piccola porzione delle particelle di interesse nel flusso.Quando le particelle appaiono sulla fotocamera ad alta velocità, cattura alcuni fotogrammi. È importante che le tracce di particelle siano chiaramente visibili nelle immagini, indicando che le particelle rimangono in piano e non si sovrappongono frequentemente. Il mancato rispetto di questi criteri comporterà l'incapacità di tracciare accuratamente le particelle.Conferma che non ci sono effetti di ingresso visibili, la sovrapposizione delle particelle è poco frequente e il moto delle particelle è principalmente in piano. Interrompere l'oscillazione al termine. Per iniziare la calibrazione finale, con le luci oscurate posizionare il bersaglio di calibrazione all'interno dei fogli di luce a LED e laser.Spegnere il laser e il LED e accendere le luci della stanza. Assicurarsi che la destinazione di calibrazione sia a fuoco all'interno dei FOV della fotocamera e abbia un segno univoco visibile a entrambe le telecamere. Acquisire un'immagine della destinazione di calibrazione su entrambe le fotocamere.Si notino i posizionamenti rilevanti del segno univoco e si conferma che le telecamere sono ancora livellate e non mostrano alcuna distorsione intorno ai bordi. Quindi rimuovere la destinazione di calibrazione, installare la griglia e avviare l'oscillazione. Lasciare correre per almeno 20 minuti per consentire al flusso di raggiungere uno stato stazionario.Quindi scurisci la stanza, accendi la luce della linea LED e introduci le particelle nel flusso. Avviare contemporaneamente gli impulsi laser e l'acquisizione di immagini per entrambi i sistemi quando le particelle appaiono nella telecamera di tracciamento delle particelle FOV. Al termine dell'acquisizione dei dati, salvare le immagini e interrompere l'oscillazione della griglia.Analizzare la distribuzione della velocità del flusso e le traiettorie delle particelle. Le immagini PIV possono essere elaborate in distribuzioni istantanee di velocità e vorticità dei fluidi. Qui la distribuzione vettoriale della velocità del fluido è sovrapposta su una mappa di colore vorticità.Con questa configurazione, la grandezza della media spaziale della radice media fluttuazione della velocità del fluido quadrato sul campo visivo PIV dovrebbe aumentare con la frequenza di oscillazione sia per le componenti di velocità orizzontali che verticali. Le traiettorie e le velocità delle particelle possono essere determinate dalle immagini di tracciamento delle particelle ad alta velocità. La distribuzione delle velocità delle particelle dovrebbe essere approssimativamente gaussiana.Qui particelle di forme irregolari più grandi mostravano generalmente distribuzioni di velocità delle particelle con deviazioni standard più grandi di quelle delle particelle sferiche più piccole. Sebbene entrambi gli insiemi di particelle mostravano distribuzioni con velocità verticali media maggiori e deviazioni standard più grandi con l'aumentare del tasso di oscillazione della griglia. Il flusso stagnante sedimenta le velocità di sedimentazione delle particelle sintetiche, della sabbia industriale e della sabbia raccolta localmente determinata dalle loro traiettorie di particelle, tutte approssimativamente concordate con le curve di Dietrich.La tendenza delle particelle a sedimentare le velocità ad aumentare con la frequenza di oscillazione della griglia è stata ulteriormente esplorata nelle analisi successive. La misurazione ottica simultanea sia della cinetica delle particelle che della fluidodinamica, in particolare la turbolenza, è impegnativa a causa del potenziale di interferenza tra le due tecniche di imaging, con conseguente imprecisione della misurazione. I flussi fortemente tridimensionali non sono adatti a questa tecnica, perché i movimenti fuori piano produrranno errori sia nel tracciamento 2D che nell'analisi della velocimetria delle particelle.La concentrazione di particelle tracciate deve essere relativamente bassa per massimizzare la fiducia che la stessa particella venga tracciata in immagini consecutive. Inoltre, i traccianti PIV e le particelle tracciate devono essere di dimensioni sufficientemente diverse per distinguerli. L'integrazione delle informazioni sulla velocità del flusso con la traiettoria delle particelle dipende da ciò che viene studiato.Ad esempio, questo metodo può anche esaminare le velocità di flusso in istanze specifiche nel tempo lungo la traiettoria della particella. Questa tecnica è stata dimostrata con il trasporto dei sedimenti, un'applicazione per le scienze del movimento, ma è rilevante in molte applicazioni in cui il flusso di fluido interagisce con particolato naturale o artificiale.

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