MISURE DI VELOCITA OTTICHE
SOMMARIO VISUALIZZAZIONI ANALISI DI IMMAGINI 1) METODO DELLA SOGLIA 2) PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY (PTV) 3) PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (PIV) 2
VISUALIZZAZIONI 1. INIEZIONE DI COLORANTI 2. FLUORESCENZA INDOTTA DA LUCE STRUTTURATA 3. PARTICELLE RIFLETTENTI 4. TECNICHE ELETTROLITICHE 3
VISUALIZZAZIONI INIEZIONE DI COLORANTI Sostanze coloranti possono essere adoperate per visualizzare particolari regioni del campo di moto o per marcare singole linee di flusso. Per individuare linee di flusso adiacenti ad un corpo solido: il colorante viene immesso attraverso piccole aperture praticate sulla superficie del corpo stesso. Per individuare le linee di flusso all interno della massa fluida: il colorante deve essere iniettato con aghi allineati con la direzione del flusso, facendo attenzione a non interferire con la struttura del campo di moto stessa. La velocità di iniezione deve essere pari a quella locale del campo di moto. 4
VISUALIZZAZIONI INIEZIONE DI COLORANTI Per assicurare che il colorante segua l andamento indisturbato del campo di moto, la densità del colorante stesso deve essere pari a quella del fluido in studio. Per esempio nel caso di un esperimento con acqua, molti coloranti hanno un peso specifico maggiore e devono pertanto essere miscelati con alcool, al fine di ottenere una densità neutra. Inoltre si deve tener conto che la densità è anche funzione della temperatura. 5
VISUALIZZAZIONI FLUORESCENZA INDOTTA DA LUCE STRUTTURATA Coloranti fluorescenti possono assorbire la luce a una specifica frequenza e quindi rifletterla (fluorescenza) ad una frequenza differente. Durante gli esperimenti, i coloranti vengono eccitati da luce strutturata, la cui frequenza è molto prossima a quella di eccitamento del colorante stesso. Per esempio la fluorescina (frequenza massima di eccitazione pari a 490 nm) viene eccitata meglio da laser blue-verde (argon-ion) che emette luce con lunghezze d onda di 488 (blu) e 514 (verde) nm. Una volta eccitata la massima emissione della fluorescina avviene a 520 nm. 6
VISUALIZZAZIONI FLUORESCENZA INDOTTA DA LUCE STRUTTURATA Per illuminare un piano specifico, il raggio laser viene espanso in un piano, utilizzando lenti cilindriche. L intensità luminosa è un elemento importante se si vogliono effettuare misure quantitative, in quanto l intensità di luce emessa è proporzionale all intensità di eccitazione e alla concentrazione di colorante. Se l energia di eccitazione è localmente uniforme, allora l intensità di luce emessa è linearmente proporzionale alla concentrazione del colorante. Quindi con una semplice calibrazione è possibile correlare l intensità di emissione con la concentrazione di colorante: tecnica LIF (Laser Induced Fluorescence). 7
VISUALIZZAZIONI PARTICELLE RIFLETTENTI La struttura del campo di moto può essere visualizzata anche attraverso l uso di particelle riflettenti. Le particelle vengono illuminate da un piano di luce laser o da una fonte di luce bianca molto intensa. Le particelle devono avere peso specifico prossimo a quello del fluido (es.: sferette vuote di vetro, fiocchi di alluminio, sfere di polistirene dal diametro di 25-200 mm). Utilizzando un tempo prolungato di esposizione, la visualizzazione consente il tracciamento delle traiettorie seguite dalle particelle. 8
VISUALIZZAZIONI TECNICHE ELETTROLITICHE: BOLLE DI IDROGENO Le bolle vengono prodotte sulla superficie di un sottile filo di platino. Il filo viene usato come elettrodo negativo, mentre l elettrodo positivo (di forma piatta e fatto di metallo o di carbonio) viene posizionato nelle vicinanze del fluido. Una differenza di potenziale (50-70 V) viene applicata al filo, generando una corrente (1 A) che passa attraverso l acqua. Un meccanismo elettrolitico sulla superficie del filo genera bolle di idrogeno di diametro prossimo a quelle del filo stesso. 9
VISUALIZZAZIONI TECNICHE ELETTROLITICHE: PRECIPITAZIONE DI OSSIDO DI STAGNO Il tracciante, in questo caso è un ossido precipitato elettroliticamente. L anodo è un sottile filo di stagno puro, sufficientemente piccolo da non interferire con il moto. Il catodo può essere un qualunque conduttore inerte (es. rame). I due elettrodi vengono connessi a un generatore di potenza intermittente. Applicando una differenza di potenziale (tipicamente 10V e correnti di 10 ma), si genera all interno del fluido una corrente elettrica che induce la dissoluzione del filo di stagno, che genera un precipitato di ossido di stagno che appare come fumo bianco molto riflettente. 10
VISUALIZZAZIONI NUVOLE Poiché le nuvole sono opache, rappresentano un tracciante naturale per la metereologia. 11
ANALISI DI IMMAGINI 1. METODO DELLA SOGLIA 2. PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY (PTV) 3. PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (PIV)
METODO DELLA SOGLIA
METODO DELLA SOGLIA APPARATO SPERIMENTALE: TELECAMERA VIDEOREGISTRATORE PC Il fenomeno in studio viene acquisito dalla telecamera e registrato mediante un videoregistratore digitale. Le immagini acquisite da una telecamera in bianco e nero sono delle matrici di pixel, il cui valore varia tra 0 (nero) e 255 (bianco): i livelli di grigio. Se si usa una telecamera a colori, ogni pixel assume tre valori, compresi fra 0 e 255, legati ai tre canali: rosso, verde, blu. In funzione dei livelli di grigio delle immagini (analisi di immagine) è possibile avere informazioni quantitative sul campo di moto. 14
APPLICAZIONE DEL METODO DELLA SOGLIA ALLO SLOSHING 15
FILMATO SLOSHING 16
INDIVIDUAZIONE DELLE SUPERFICI DI SEPARAZIONE 17
INDIVIDUAZIONE DELLE SUPERFICI DI SEPARAZIONE 18
INDIVIDUAZIONE DELLE SUPERFICI DI SEPARAZIONE 19
INDIVIDUAZIONE DELLE SUPERFICI DI SEPARAZIONE 20
INDIVIDUAZIONE DELLE SUPERFICI DI SEPARAZIONE 21
MISURE DI DISTANZA EFFETTUATE CON IL DOP2000 22
CONFRONTO DELL EVOLUZIONE TEMPORALE DELLE SUPERFICI DI INTERFACCIA 79 superficie superiore (mm) 75 71 67 63 59 55 dop2000 analisi immagini 51 47 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 t (s) 16 12 dop2000 analisi immagini superficie inferiore (mm) 8 4 0-4 -8-12 -16 0 10 20 30 40 50 t (s) 23
APPLICAZIONE DEL METODO DELLA SOGLIA AGLI SCAVI LOCALIZZATI DIMENSIONI DEL CANALE - lunghezza: 17 m - larghezza: 0.8 m - altezza: 1 m 24
MODELLO SPERIMENTALE 25
EVOLUZIONE TEMPORALE DI UNO SCAVO LOCALIZZATO 26
EVOLUZIONE TEMPORALE DI UNO SCAVO LOCALIZZATO 27
PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY (PTV)
APPARATO SPERIMENTALE Laser e lenti atte a creare un piano di luce Tracciante (peso specifico prossimo a quello del fluido) Sistema di acquisizione delle immagini (telecamera, videoregistratore, pc) 29
FASI DELLA PTV 1. REGISTRAZIONE DELLE IMMAGINI 2. DIGITALIZZAZIONE DELLE IMMAGINI 3. OPERAZIONI DI SOGLIA E FILTRO 4. RICONOSCIMENTO DEI BARICENTRI 5. RICONOSCIMENTO E VALIDAZIONE DELLE TRAIETTORIE 30
PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY OPERAZIONI DI SOGLIA E FILTRO Viene individuato un valore dei livelli di grigio (soglia): tutti i pixel con livello di grigio inferiore alla soglia sono posti uguali a 0, i pixel con livello di grigio superiore alla soglia sono posti uguali a 255. In questo modo vengono eliminati eventuali bagliori o riflessioni presenti nelle immagini: l immagine viene filtrata. INDIVIDUAZIONE DEI BARICENTRI L immagine viene analizzata e si individuano le coordinate del centro di tutte le aree connesse con livello di grigio pari a 255 (particelle). In questa fase vengono imposti dei limiti sull area massima e minimima delle particelle individuabili.
RICONOSCIMENTO E VALIDAZIONE DELLE TRAIETTORIE
APPLICAZIONE DELLA PTV ALLO STUDIO DELLA BREZZA DI MARE Termostato Laser Lenti Piano di luce Superfici laterali adiabatiche Linea di costa T=cost Allo scambiatore di calore sulla superficie superiore Fondo isotermo (mare) Scambiatore di calore (mare) Fondo a temperatura variabile (terra) Scambiatore di calore (terra) T=cost Videocamera Videoregistratore T=f(t) Termostato (mare) Z X Y PC Controllo animazione Termocriostato 33
SET-UP SPERIMENTALE 34
DESCRIZIONE QUALITATIVA DELLA CIRCOLAZIONE DI BREZZA MARE TERRA PRIMA MATTINA: STRATO DI MESCOLAMENTO CONVETTIVO MARE TERRA MATTINATA: FRONTOGENESI MARE TERRA MEZZOGIORNO: REGIME DI BREZZA DI MARE MARE TERRA NOTTE: BREZZA DI TERRA 35
ESPERIMENTO DI SIMULAZIONE DELLA BREZZA DI MARE 36
CAMPO LAGRANGIANO DI VELOCITA FASE CONVETTIVA FORMAZIONE DEL FRONTE FRONTOGENESI BREZZA DI MARE
CAMPO DI VELOCITA EULERIANO
APPLICAZIONE DELLA PTV ALLO STUDIO DEI MEDDIES I Meddies sono vortici anticiclonici costituiti di acqua salata e calda proveniente dal mediterraneo Caratteristiche: 40-150 km di diametro, 800-1400 m di profondita. I Meddies possono essere responsabili per piu del 50% del flusso di salinita dal mediterraneo verso occidente.
COLLISIONE CON ISOLE O MONTAGNE SOTTOMARINE A seguto di una collisione e possibile osservare : la biforcazione del Meddy la dissoluzione del Meddy
SET-UP SPERIMENTALE TAVOLO ROTANTE A BASE QUADRATA TELECAMERA SISTEMA DI ANALISI DI IMMAGINE (PTV)
IMPATTO DI UN VORTICE CON DUE OSTACOLI CILINDRICI
CAMPO DI VELOCITA E VORTICITA
PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY (PIV)
APPARATO SPERIMENTALE LASER TELECAMERA BRACCIO OTTICO OTTICHE SINCRONIZZATORE PIV SOFTWARE PARTICELLE INSEMINANTI
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO 1) Nel fluido viene immessa una certa quantità di particelle traccianti 2) La superficie di misura viene illuminata da due fasci laser successivi (intervallati da un tempo noto t), che evidenziano la posizione delle particelle 3) Con la stessa frequenza dei laser, la telecamera registra le immagini del campo di moto 4) Si effettua una cross-correlazione tra le due immagini di ogni coppia per ricavare lo spostamento più probabile delle particelle 5) Si misura la velocità euleriana delle particelle, dividendo lo spostamento per l intervallo tra le due immagini t
APPLICAZIONE PIV AD UNA CORRENTE DI GRAVITA
APPLICAZIONE PIV AD UNA CORRENTE DI GRAVITA
APPLICAZIONE PIV AD UNA CORRENTE DI GRAVITA