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.
