3-D partikelsporing? Der er en app til det

Ved at bruge fire billige smartphone-kameraer og noget simpelt farvet baggrundsbelysning, KAUST-forskere har undværet dyrt kameraudstyr af forskningskvalitet og farlige lasere for at konstruere et tomografisk partikelbilledhastighedssystem (PIV), der er i stand til kvantitativ flowvisualisering. Bevis-of-concept-undersøgelsen demonstrerer forskningskraften i dagligdags enheder, og sætter et state-of-the-art værktøj inden for rækkevidde af en bredere gruppe af forskere og undervisere.

Tomografisk PIV betragtes som den eksperimentelle væskemekaniks hellige gral:den gør det muligt at observere strømningsfelter i tre dimensioner ved fin rumlig opløsning ved at spore sporpartiklernes bevægelse ved hjælp af en række digitale kameraer. Teknikken går ud på at oplyse væskevolumenet med en højintensitetslaser og optage lyset spredt af sporstofpartiklerne ved hjælp af dyre, høj hastighed, højfølsomme kameraer. Disse billeder behandles derefter af simple tomografiske rekonstruktionsalgoritmer for at reproducere partiklernes position og spore deres bevægelse over tid for at give 3D-hastighedsfeltet.

"At have adgang til tomografisk PIV for første gang tillader beregning af fulde hvirvelstrukturer i en turbulent strømning, " siger Sigurdur Thoroddsen, der ledede forskerholdet. "Dette kan gavne mange applikationer, der involverer turbulens, såsom at blande eller reducere luftmodstanden for strømme over flyveblade eller Formel 1-biler og endda studere svømmere og flyvende dyr.

"Men teknikken er uoverkommelig dyr for mange forskere, " fortsætter Thoroddsen. "Vi mener, at det skal være muligt at bruge almindelige forbrugerenheder til at producere højkvalitetsforskning om forskellige flowproblemer."

Smartphone PIV-systemet består af fire 41-megapixel smartphone-kameraer placeret i forskellige vinkler omkring flowvolumenet - i dette tilfælde en glastank fyldt med bevægende vand og polystyrensporpartikler, der danner en hvirvelringstrøm. For at overvinde den lave følsomhed af telefonkameraerne, kameraerne blev sat op til at fotografere skyggerne af sporpartiklerne kastet af blå, grønne og røde LED-lys, prægning i samme billede alle tre farver (se billede). Resultaterne kan sammenlignes med dem, der er opnået ved brug af et kommercielt tomografisk PIV-system, med afvigelser i cirkulationsflow på mindre end 8 pct.

"Med tilføjelsen af ​​optisk zoom som set på nogle af de nyeste telefoner, og muligheden for at tage '4k' videoklip eller endda slowmotion-video, vi forventer at se en betydelig stigning i mulighederne for denne tilgang, " siger Thoroddsen. "Vi har allerede forudbestilt de nyeste telefoner for at forlænge vores arbejde."