Met behulp van vier goedkope smartphonecamera's en enkele eenvoudige gekleurde achtergrondverlichting, KAUST-onderzoekers hebben afgezien van dure camera-apparatuur van onderzoekskwaliteit en gevaarlijke lasers om een ​​tomografisch deeltjesbeeldsnelheidsmeting (PIV) -systeem te bouwen dat in staat is tot kwantitatieve stroomvisualisatie. De proof-of-concept-studie toont de onderzoekskracht aan van alledaagse apparaten, en brengt een state-of-the-art tool binnen handbereik van een bredere groep onderzoekers en opvoeders.

Tomografische PIV wordt beschouwd als de heilige graal van experimentele vloeistofmechanica:het maakt het mogelijk stromingsvelden in drie dimensies te observeren met een fijne ruimtelijke resolutie door de beweging van tracerdeeltjes te volgen met behulp van een reeks digitale camera's. De techniek omvat het verlichten van het vloeistofvolume met een laser met hoge intensiteit en het opnemen van het licht dat wordt verstrooid door de tracerdeeltjes met behulp van dure, hoge snelheid, hooggevoelige camera's. Deze beelden worden vervolgens verwerkt door eenvoudige tomografische reconstructie-algoritmen om de positie van de deeltjes te reproduceren en hun beweging in de tijd te volgen om het 3D-snelheidsveld te geven.

"Door voor het eerst toegang te hebben tot tomografische PIV, kunnen volledige vortexstructuren in een turbulente stroming worden berekend, ", zegt Sigurdur Thoroddsen die het onderzoeksteam leidde. "Dit kan veel toepassingen met turbulentie ten goede komen, zoals het mengen of verminderen van weerstand voor stromingen over draagvlakken of Formule 1-auto's en zelfs het bestuderen van zwemmers en vliegende dieren.

"Maar de techniek is voor veel onderzoekers onbetaalbaar, " vervolgt Thoroddsen. "Wij zijn van mening dat het mogelijk moet zijn om reguliere consumentenapparaten te gebruiken om hoogwaardig onderzoek te doen naar verschillende stroomproblemen."

Het smartphone PIV-systeem bestaat uit vier 41-megapixel smartphonecamera's die onder verschillende hoeken rond het stroomvolume zijn geplaatst - in dit geval een glazen tank gevuld met bewegend water en polystyreen tracerdeeltjes die een vortexringstroom vormen. Om de lage gevoeligheid van de telefooncamera's te overwinnen, de camera's waren opgesteld om de schaduwen van de door blauw geworpen lichtspoordeeltjes te fotograferen, groene en rode led-verlichting, opdruk in dezelfde afbeelding alle drie de kleuren (zie afbeelding). De resultaten zijn goed vergelijkbaar met die verkregen met een commercieel tomografisch PIV-systeem, met afwijkingen in de circulatiestroom van minder dan 8 procent.

"Met de toevoeging van optische zoom, zoals te zien is op sommige van de nieuwste telefoons, en de mogelijkheid om '4k'-videoclips of zelfs slow-motionvideo te maken, we verwachten een aanzienlijke toename van de mogelijkheden van deze aanpak, "zegt Thoroddsen. "We hebben de nieuwste telefoons al gereserveerd om ons werk uit te breiden."