Ett exempel på den trefärgade spårpartikelbilden som tagits med en smartphone för tomografiska partikelbildhastighetsmätningar. Kredit:KAUST
Med hjälp av fyra billiga smartphonekameror och lite enkel bakgrundsbelysning i färg, KAUST-forskare har avstått från dyr kamerautrustning av forskningskvalitet och farliga lasrar för att konstruera ett tomografiskt partikelbildshastighetssystem (PIV) som är kapabelt till kvantitativ flödesvisualisering. Proof-of-concept-studien visar forskningskraften hos vardagliga enheter, och sätter ett toppmodernt verktyg inom räckhåll för en bredare grupp av forskare och utbildare.
Tomografisk PIV betraktas som den experimentella vätskemekanikens heliga graal:den tillåter att flödesfält observeras i tre dimensioner vid fin rumslig upplösning genom att spåra spårpartiklars rörelse med hjälp av en rad digitalkameror. Tekniken innebär att lysa upp vätskevolymen med en högintensiv laser och registrera ljuset som sprids av spårpartiklarna med hjälp av dyra, hög hastighet, högkänsliga kameror. Dessa bilder bearbetas sedan med enkla tomografiska rekonstruktionsalgoritmer för att reproducera partiklarnas position och spåra deras rörelse över tiden för att ge 3D-hastighetsfältet.
"Att ha tillgång till tomografisk PIV för första gången möjliggör beräkning av fulla virvelstrukturer i ett turbulent flöde, " säger Sigurdur Thoroddsen som ledde forskargruppen. "Detta kan gynna många applikationer som involverar turbulens, som att blanda eller minska luftmotståndet för flöden över bärytor eller Formel 1-bilar och till och med studera simmare och flygande djur.
"Men tekniken är oöverkomligt dyr för många forskare, " fortsätter Thoroddsen. "Vi anser att det borde vara möjligt att använda vanliga konsumentprodukter för att producera högkvalitativ forskning om olika flödesproblem."
Smarttelefonens PIV-system består av fyra 41-megapixel-smartphonekameror placerade i olika vinklar runt flödesvolymen – i det här fallet en glastank fylld med rörligt vatten och polystyrenspårpartiklar som bildar ett virvelringflöde. För att övervinna den låga känsligheten hos telefonkamerorna, kamerorna var inställda för att fotografera skuggorna av spårpartiklarna som kastats av blått, gröna och röda LED-lampor, prägling i samma bild alla tre färgerna (se bild). Resultaten jämför väl med de som erhållits med ett kommersiellt tomografiskt PIV-system, med avvikelser i cirkulationsflödet på mindre än 8 procent.
"Med tillägget av optisk zoom som sett på några av de senaste telefonerna, och möjligheten att ta "4k" videoklipp eller till och med slowmotion-video, vi förväntar oss att se en betydande ökning av möjligheterna med detta tillvägagångssätt, ", säger Thoroddsen. "Vi har redan förbeställt de senaste telefonerna för att utöka vårt arbete."