第四届国际PIV挑战案例分析

案例描述

·由200bar压力驱动的微通道流动

·将直径为1的荧光聚苯乙烯流动示踪粒子添加到流动中,并使用sCMOS相机以120ns的帧间时间捕获

·记录600张双帧图像

 

挑战

强梯度和高动态速度范围

由于用于维持高内压的厚窗口导致的相关深度和光学像差

低图像信噪比,适用于微型PIV应用

由于帧间时间短,帧1和帧2之间的串扰

 

 

掩蔽生成

我们在掩蔽生成和图像预处理期间使用DynamicStudio的图像处理库。整体图像集中的第1对图像的第1帧如下所示。此处显示的所有粒子图像都是反转的,查找表会自动设置在像素直方图周围,以获得更好的可见性。

       使用大图像集合创建图像掩蔽背后的想法是,粒子永远不会穿透微通道的壁并且仅在流体中填充自身。首先,我们执行背景减法,并找到包含在整体图像中每帧中的最大像素值。然后我们取第1帧和第2帧的平均值来囊括两帧中出现的所有粒子。经过一些中值滤波和阈值处理后,我们得到如下所示的掩模形状。从掩模中可以看出微通道几何形状和显微镜视野的圆形形状是明显的(在FoV的每一侧)。

图像预处理

我们使用以下步骤来改善粒子图像的SNR:

    ·使用Harmonic均值的背景减法

    ·开口,中值和高斯滤波器可消除持续的串扰噪声

    ·局部对比度归一化以从每个粒子获得相等的光强度

    ·应用图像掩模去除微通道外的噪声

根据以上的处理,我们得到了下图:

PIV处理

PIV处理过程包含以下步骤:

·自适应PIV分析

    ·自适应多通道算法

    ·通行证之间的普遍异常值检测

    ·32x32最终询问区域

    ·4像素矢量间距

    ·壁面函数可以提高固体边界附近的精度

·后处理

    ·N-sigma验证

    ·11×11高斯滤波器

 

通过600个矢量的平均图可以看出大致的流动特征(下图)。

Dantec Dynamics提交的流向速度分量结果

       流程从左到右,颜色表示速度大小。首先,流动经历快速加速,以进入连接两侧较宽通道的窄通道。在狭窄的部分,平均流速接近190m / s。壁面函数可捕获此部分中的强梯度和高动态范围。由于压力下降,在狭窄部分也观察到空化。通过使用通用离群检测和N-sigma验证来去除空化气泡中的异常值。

       最后,流体作为有限射流进入右侧较宽的部分,在那里它向下转动。由于在该部分的顶部观察到反向流动,一小部分流体不会离开微通道。

       垂直速度分量的RMS如下所示,其中颜色表示幅度。

由DantecDynamics提供的流线速度分量的RMS

       垂直速度分量的均方根强度图标记了具有高剪切速率的区域,这是一些食品生产技术所必需的。在狭窄部分的入口处观察到最高rms值,其中流动试图转动尖角,同时加速。沿着窄部分的壁面和较宽部分中的喷射边界观察到中等rms值。

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