Mikro kanallarda akış hızı ölçümünde CCD kameranın özelliklerini kullanarak mikro-PIV sisteminin performansının arttırılması

Abstract

Mikro ve nano ölçüdeki sistemlerin gelişmesi ve özellikle mikroakış cihazlarının uygulama alanlarının artması ile mikro ölçekteki akışkanlar dinamiğinin incelenmesine olan ilgi de artmıştır. Bu inceleme çalışmalarında kullanılan tanecik görüntülemeli hızölçerler (PIVparticle image velocimetry), akış görüntüleme ve analizi için kullanılan güçlü bir aygıttır. Ancak endüstriyel PIV sistemleri, hantal ve çok pahallıdır. Bu yüzden de araştırma merkezleri için kolayca ulaşılabilir değildir. Bu çalışmada, mikro kanallarda metrolojik akış araştırmaları için, ekonomik şekilde mikro- PIV kurulması amaçlanmıştır. Sistemin maliyetini en çok arttıran bileşenlerden biri, yüksek hızlı kameradır. Bu nedenle çalışmada, hızlı kamera yerine çift çekimli CCD kamera kullanılmıştır. Böylece, kameranın binning özelliği ile PIV sisteminin dinamik hız aralığını arttırabilecek ve çift-çekim özelliği ile de mekânsal çözünürlüğü koruyacak bir metot düşünülmüştür. Yukarıda bahsedilen binning işlemi, dikey, yatay veya her iki yönde de piksel yüklerini birleştirerek daha büyük tek bir yük haline getirme işlemidir. Binning özelliği, seçilen alan boyunca mekânsal çözünürlüğü azaltmasına rağmen, kamera hızını arttırmaktadır. Deneylerle, çözünürlük kaybına rağmen ihmal edilebilir hatalar ile, PIV sisteminin dinamik hız aralığını 2 katına çıkarmanın mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmadaki deney koşullarında, 2×1 ve 2×2 binning modlarında, sistemin normal modda maksimum ölçülebilen hız değeri 1,5 katına, 3×1 modunda ise 2 katına çıkmıştır. Sistemin doğruluğu, çeşitli mikrokanallardaki akış görüntüleri kullanarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, aynı zamanda geleneksel analitik çözümler ile de karşılaştırılmış ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca binning özelliği mekânsal çözünürlüğü azalttığı için, izleme taneciklerinin boyutunun sistematik hata dağılımına etkisi incelenmiştir. Eğer tanecik boyutu süper pikselin iki katı ise, çözünürlük kaybından gelen hatanın ihmal edilebilir düzeyde olduğu bulunmuştur. Bu bulgu, deney düzeneğini kurarken, yol gösterici olacaktır. Bu çalışmada binning moduyla beraber çift çekim modunun kullanılması, mekânsal çözünürlüğün iyileştirilmesini sağlamıştır. Öncelikle geçerli hız vektörlerinin toplam hesaplanan hız vektörlerine oranının arttığı görülmüştür. Şöyle ki; CCD kameradan normal modda elde edilen görüntü çiftlerinin karşılıklı ilinti hesaplamalarının istatiksel analizi, geçerli hız vektörlerinin toplam hesaplanan hız vektörlerine oranının %80 civarlarında olduğunu göstermiştir. Bu değer aynı aydınlatma seviyesinde, 1×2 ve 2×1 binning modundaki görüntüler için artmıştır. Bu iki binning modu için, geçerli hız vektörlerinin toplam hesaplanan hız vektörlerine oranı sırasıyla, %90 ve %92’ye yükselmiştir. Son olarak 2×2 binning modu için bu oranlar % 95-96 olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar, çift çekimli CCD kameralarda binning modu kullanımının, en düşük aydınlatma şartlarında bile PIV görüntü kalitesini iyileştirebileceğini göstermektedir. Ayrıca, çift çekim özelliği kullanıldığında, 2×2 binning modu ile çıkılabilen yüksek hızlara normal modda da ulaşılabildiği görülmüştür. Yine bu çalışmada, Mikro-PIV sistemi ile çıkarılan hız profillerinden basınç düşüşü hesaplamaları yapılmıştır. Bu çalışma için kanalda farklı derinliklerde hız profilleri çıkarılmıştır. Bu değerler, Fluent yazılımı ve analitik denklemden hesaplanan ve basınç farkı ölçerden alınan verilerle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar mikro-PIV sisteminin basınç düşüşü hesaplamalarında düşük hatalar ile kullanılabileceğini göstermiştir. Ancak bu hesaplamalar, uzun uğraş gerektiren ölçümler ve analizler gerektirmektedir. Son olarak, suya katılan tanecik oranlarının, değişik tanecik çapı ve kanal kesitlerinde, akış hızı profilini ne ölçüde etkilediği, sayısal analiz programı (Fluent) ile simülasyon yapılarak incelenmiştir. Bu çalışmada yapılan deneylerde kullanılan su-partikül karışımları için tanecik konsantrasyonlarından ve çaplarından gelen hataların ihmal edilebilir olduğu görülmüştür.