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Article Dans Une Revue Experiments in Fluids Année : 2023

Experimental and numerical investigation on the accuracy of phosphor particle streak velocimetry

Étude numérique et expérimentale de la précision de la technique de vélocimétrie à trainées de particules phosphorescentes

Résumé

A new phosphor particle streak velocimetry (phosphor-PSV) diagnostic with high spatial resolution was recently demonstrated (Fan et al. in Opt Lett 46:641, 2021), where individual phosphor particles, excited by a short pulse laser, form streaks as a results of their displacement by the flow during their relatively long luminescence decay. The local flow velocity is derived by fitting each phosphor streak as a two-dimensional linearly-moving point source with a mono-exponential decaying emission. This single-pulse, single-exposure technique yields a vector for each particle, as in particle tracking velocimetry, avoiding the spatial filtering associated with particle image velocimetry (PIV). The wavelength-shifted luminescence also allows rejection of unwanted reflected laser light, and macroscopic measurements in Fan et al. (Opt Lett 46:641, 2021) were obtained at a distance of 30 μm from a wall. In this manuscript, we establish by a combination of experiments and luminescent particle imaging simulations the performance of the technique in a range of flow conditions and imaging parameters. A new image segmentation algorithm is developed and applied to phosphor streak images to improve the density of measurements to 0.004 vectors per pixel (vpp). Two phosphors with decay times of 564.2 μs (Gd2O2S:Tb3+) and 0.92 μs (BaMgAl10O17:Eu2+), are used to perform measurements in slow liquid flows (<20 cm/s) and fast turbulent jets (up to 85 m/s), respectively. To assess the uncertainty of the approach for various experimental parameters (phosphor particles, flow velocity, particle image size, signal-to-noise ratio, and streamline curvature), synthetic streaks are generated and validated against experimental data. Finally, the impact of out-of-plane motion is investigated experimentally. This study paves the way for a wide implementation of the new phosphor-PSV technique in flow research and, in particular, to study two-phase flows and confined or semi-confined flows near solid boundaries.
Un nouveau diagnostic de vélocimétrie des traînées de particules phosphorescentes (phosphor-PSV) à haute résolution spatiale a été récemment démontré. Des particules phosphorescentes individuelles, excitées par un laser à impulsions courtes, forment des traînées en raison de leur déplacement par l'écoulement pendant leur décroissance luminescente relativement longue. La vitesse locale de l'écoulement est dérivée en ajustant chaque traînée de luminophore comme une source ponctuelle bidimensionnelle à déplacement linéaire avec une émission à décroissance mono-exponentielle. Cette technique à une seule impulsion et à une seule pose de caméra produit, comme dans la vélocimétrie par suivi de particules, un vecteur pour chaque particule, évitant le filtrage spatial associé à la vélocimétrie par image de particules (PIV). La luminescence à longueur d'onde décalée permet également de rejeter la lumière laser réfléchie indésirable et les mesures macroscopiques dans ont été obtenues à une distance de 30 microns de la paroi. Dans ce manuscrit, nous établissons par une combinaison d'expériences et de simulation d'imagerie de particules luminescentes la performance de la technique dans une gamme de conditions d'écoulement, et de paramètres d'imagerie. Un nouvel algorithme de segmentation d'image est développé et appliqué aux images de traînées de luminophore pour améliorer la densité des mesures à 0,004 vecteurs par pixel, environ 4 fois plus élevée que la densité de vecteur obtenue par une fenêtre d'interrogation PIV de 32 x 32 px. Deux phosphores avec des temps de décroissance de 564,2 microsecondes (Gd2O2S:Tb3+) et 0,92 microsecondes (BaMgAl10O17:Eu2+), respectivement, sont utilisés pour effectuer des mesures dans des écoulements liquides lents (< 20 cm/s) et des jets turbulents rapides (jusqu'à 85 m/s). Pour évaluer l'incertitude de l'approche pour divers paramètres expérimentaux (particules de luminophore, vitesse d'écoulement, taille de l'image des particules, rapport signal/bruit et courbure de la ligne de courant), des traînées synthétiques sont générées et validées par rapport aux données expérimentales. Enfin, l'impact du mouvement hors du plan est étudié expérimentalement. Cette étude ouvre la voie à une large mise en œuvre de la nouvelle technique phosphore-PSV dans la recherche sur les écoulements et en particulier pour étudier les écoulements diphasiques et les écoulements confinés ou semi-confinés près des frontières solides.
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hal-03932386 , version 1 (10-01-2023)

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Citer

Luming Fan, Patrizio Vena, Bruno Savard, Benoît Fond. Experimental and numerical investigation on the accuracy of phosphor particle streak velocimetry. Experiments in Fluids, 2023, 63 (10), pp.165. ⟨10.1007/s00348-022-03511-9⟩. ⟨hal-03932386⟩
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