Three-dimensional (3D) velocity field information of a laminar flow in a curved micro tube of circular cross-section has been measured using a digital micro holographic particle tracking velocimetry (HPTV). The temporal evolution of instantaneous velocity field of a water flow in a curved micro tube of $100\;{\mu}\;m$ and $300\;{\mu}\;m$ in inner diameter was obtained. The 3D mean velocity field distribution was obtained quantitatively by statistical-averaging of instantaneous velocity fields. At low Dean number (De), a secondary flow was not generated in the curved tube. With increasing Dean number, the secondary flow constituted of two large-scale counter-rotating vortices was formed due to enhanced centrifugal force. To reveal the flow characteristics of high Dean numbers, trajectories of fluid particles were evaluated experimentally from the 3D velocity fields data measured by the HPTV technique. The present experimental results, especially the 3D particle trajectories, would be helpful to design and to understand the mixing phenomena in 3D curved passages of various curved micro-tubes or micro-channels.
A Multi-Sectional 3D-PTV algorithm was developed to reduce the calculation time of the conventional GA-3D-PTV. The hardware system of the constructed 3D-PTV system consists of two high-speed cameras ($1,024\times1,018$ pixels, 60 fps), a metal halogen lamp (400W) and a host computer. The sphere(D=30mm) is suspended in a circulating water channel $(300mm\times300mm\times1,200m)$ and Reynolds number is 1,130. About 5,000 instantaneous three-dimensional velocity vectors have been obtained by the constructed 3D-PTV system. Turbulent properties such as turbulent intensity, Reynolds stress and turbulent kinetic energy were obtained. An eigenvalue analysis was carried out using the obtained instantaneous 3D velocity vectors to get the topological relations of the asymptotically stable critical point. Two structured shells, inner shell and outer shell, were found in the sphere wake and their motions were clarified by the measured data.
A digital micro holographic particle tracking velocimetry (HPTV) system consisting of a high-speed camera and a single laser with acoustic optical modulator (AOM) chopper was established. The digital micro HPTV system was applied to water flow in a micro curved-tube for measuring instantaneous 3-D velocity field data consecutively. The micro curved-tube is using to reproduce the dorsal aorta or utilize in various lap-on-a-chip. The temporal evolution of a three-dimensional water flow in the micro curved-tube (the curvature, ${\kappa}$=1/${\phi}$, 2/${\phi}$, 4/${\phi}$, 8/${\phi}$) of 100 ${\mu}m$ and 300 ${\mu}m$ inner diameters was obtained and mean velocity field distribution was obtained by statistical-averaging the instantaneous velocity fields.
The flow characteristics of a turbulent buoyant jet were experimentally investigated using a single-frame PIV system. The Reynolds number based on the nozzle exit velocity and nozzle diameter was about Re=5$\times$10$^3$. The instantaneous velocity fields in the streamwise plane passing the jet axis were measured in the near field X/D <11 with and without the temperature gradient. By ensemble averaging the instantaneous velocity fields, the spatial distributions of mean velocity, vorticity, and higher-order statistics up to third order were obtained. The temperature difference of 10$\^{C}$ does not affect a significant influence to the flow structure in the near field, but the total entrainment rate is increased slightly. The entrainment rate shows a linear variation with the streamwise distance in the region after X/D=5.0.
Journal of Electrical Engineering and information Science
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제1권2호
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pp.77-86
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1996
In this paper we deal with the problem of recovering 3-D motion and structure from a time-varying 2-D velocity vector field. A great deal has been done on this topic, most of which has concentrated on finding necessary and sufficient conditions for there to be a unique 3-D solution corresponding to a given 2-D motion. While previous work provides useful theoretical insight, in most situations the known algorithms have turned out to be too sensitive to be of much practical use. It appears that any robust algorithm must improve the 3-D solutions over time. As a step toward such algorithm, we present a method for recovering 3-D motion and structure from a given time-varying 2-D velocity vector field. The surface of the object in the scene is assumed to be locally planar. It is also assumed that 3-D velocity vectors are piecewise constant over three consecutive frames (or two snapshots of flow field). Our formulation relates 3-D motion and object geometry with the optical flow vector as well as its spatial and temporal derivatives. The linearization parameters, or equivalently, the first-order flow approximation (in space and time) is sufficient to recover rigid body motion and local surface structure from the local instantaneous flow field. We also demonstrate, through a sensitivity analysis carried out for synthetic and natural motions in space, that 3-D motion can be recovered reliably.
A process of 3-D particle image velocimetry, called here, as '3-D stereo PIV' was developed for the measurement of a section field of 3-D complex flows. The present method includes modeling of camera by a calibrator based on the homogeneous coordinate system, transfromation of oblique-angled image to transformed image, identification of 2-D velocity vectors by 2-D cross-correlation equation, stereo matching of 2-D velocity vectors of two cameras, accurate calculation of 3-D velocity vectors by homogeneous coordinate system and finally 3-D animation as the post processing. In principle, as two frame images only are necessary for the single instantaneous analysis of a section field of 3-D flow, more effective vectors are obtainable contrary to the previous multi-frame vector algorithm. An experimental system was also used for the application of the proposed method. Three analog CCD cameras and an Argon-Ion Laser(300mW) for illumination were adopted to capture the wake flow behind a bluff obstacle.
The effect of triangular multi-tabs attached at the perimeter of jet nozzle on flow structure in the near field was investigated experimentally. A stereoscopic PIV(SPIV) system was employed to measure three orthogonal velocity components of the 3-D turbulent jet. In this study, two different types of sharp-edged jet nozzle having 4, 8 tabs were tested at the Reynolds number of Re=10,000. SPIV measurements were carried out at 5 cross-sectional planes. Six hundred instantaneous velocity fields were measured for each experimental condition and they were ensemble averaged to get spatial distributions of turbulent statistics such as mean velocity and turbulence intensity. Entrainment rate of surrounding fluid into the tabbed jets was estimated using the measured 3-D velocity field data. The strong vortex structure was induced for the jet flow with 4 tabs, increasing entrainment rate.
Simultaneous measurement with PLIF(Planar Laser-Induced Fluorescence) and Stereo-PIV(Stereo Particle Image Velocimetry) was performed to investigate the structural characteristics of flow field in Rushton Turbine Mixer. Instantaneous 3D velocity fields are measured by two 2K${\times}$2K CCD cameras focused on an object plane with the angular displacement methods while the concentration fields are obtained through the measurement of the fluorescence intensity of Rhodamine B tracer excited by the second pulse of Nd:Yag laser light. Image distortion due to the camera view-angle is compensated by a mapping function. Finally, the spatial structures of turbulent flow around Rushton turbine were identified by the calculation of synchronized data of the velocity field and concentration field.
In the present study, a micro holographic PTV (HPTV) system was used to experimentally investigate the structure of 3D flow within a curved micro-tube with varying Dean number. The employed HPTV system incorporated a high-speed digital camera to measure the temporal evolution of the 3D velocity fields of micro-scale fluid flows. With increasing Dean number, flow in the curved tube is transformed from a steady flow to a secondary flow with two counter-rotating vortices. In this study, to analyze the 3D flow characteristics in the curved section of tube at a high Dean number, the trajectories of fluid particles were obtained experimentally using the whole 3D velocity field data obtained by the micro HPTV technique. The mean velocity field distribution was then obtained by ensemble averaging the instantaneous velocity fields. These results would be helpful in the design of various passages within micro-scale devices or micro-chips and in understanding the mixing phenomena that occur in curved conduits along the trajectories of fluid particles.
Simultaneous measurement with PLIF(Planar Laser-Induced Fluorescence) and Stereo-PIV(Stereoscopic Particle Image Velocimetry) was performed to investigate the structural characteristics of flow field in Rushton Turbine Mixer. Instantaneous 3D velocity fields are measured by two 2K ${\times}$ 2K CCD cameras focused on an object plane with the angular displacement methods while the concentration fields are obtained through the measurement of the fluorescence intensity of Rhodamine B tracer excited by the second pulse of Nd:Yag laser light. Image distortion due to the camera view-angle is compensated by a mapping function. Finally, the spatial structures of turbulent mixing around Rushton turbine were identified by the calculation of cross-correlation fields between the velocity and concentration field.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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