A Color-Coded 3D Particle Tracking Velocimetry System for Velocity Measurement in Transient Evaporating Films

Resumen Técnico: Un sistema de Seguimiento de Partículas Velocimétrico 3D codificado por colores para la medición de velocidad en películas evaporativas transitorias

Planteamiento del Problema
La evaporación de películas es crítica para diversas aplicaciones de ingeniería, incluyendo procesos de recubrimiento, vaporización de combustible y gestión térmica de componentes electrónicos. Si bien se han estudiado extensamente las películas evaporativas no evaporantes, calentadas y no calentadas, el desarrollo transitorio de películas evaporativas sometidas a sobrecalentamiento impulsivo es menos comprendido. Específicamente, la estructura convectiva interna tridimensional y las velocidades de los fluidos dentro de estas películas transitorias no han sido observadas ni medidas previamente. Las técnicas existentes de Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV) y de Seguimiento de Partículas (PTV) a menudo requieren múltiples cámaras cuidadosamente alineadas, lo que presenta desafíos significativos en flujos a pequeña escala con puertos de visión limitados. Además, los métodos de desenfoque de una sola cámara, aunque simplifican la óptica, suelen sufrir altos niveles de ruido en las mediciones de velocidad fuera del plano (dirección z).

Metodología
Para abordar estos desafíos, los autores implementaron un sistema de Seguimiento de Partículas (PTV) 3D codificado por colores con una sola cámara. La configuración óptica central utiliza una máscara de 3 orificios instalada dentro de la lente de la cámara, donde cada orificio está cubido por un filtro de color distinto (Rojo, Verde, Azul). Esta disposición crea una triple exposición codificada por colores en el sensor de la cámara para cada partícula trazadora. La separación espacial de los tripletes de color corresponde a la distancia de la partícula desde el plano focal (ubicación z), mientras que el centroide del triplete indica la ubicación en el plano (x, y).

• Configuración Experimental: El sistema fue probado utilizando películas de diclorometano (DCM) (100 mm de diámetro, 2–5 mm de espesor) sometidas a un sobrecalentamiento impulsivo mediante una rápida caída de presión. Las partículas trazadoras consistieron en esferas cerámicas huecas recubiertas de plata (29–37 µm) con una densidad igualada a la del DCM para minimizar el asentamiento gravitacional.
• Calibración: Debido a las propiedades de solvente del DCM, no se pudo desplazar una placa de calibración a través del fluido de trabajo. En su lugar, una placa de calibración se trasladó a través de una solución de sacarosa (concentración del 52%) con un índice de refracción que coincide con el del DCM (1.42).
• Procesamiento de Datos: Un flujo de trabajo personalizado combinó scripts de MATLAB y el software TSI Insight V3V 4g. MATLAB preprocesó las imágenes para separar los tripletes de colores y eliminar el ruido de fondo. El software V3V realizó la identificación de partículas, el emparejamiento y el cálculo inicial de vectores.
• Reducción de Ruido: Para mitigar el ruido inherente fuera del plano de los sistemas de desenfoque, se desarrolló un algoritmo de ajuste de curvas de trayectoria (pathline). Las trayectorias de las partículas se rastrearon a través de los pasos de tiempo para formar líneas de trayectoria. Estas líneas de trayectoria se ajustaron con polinomios por tramos para suavizar los datos, y los vectores de velocidad se recalcularon a partir de las posiciones suavizadas.

Contribuciones Clave

1. Implementación del Sistema: La adaptación exitosa de un sistema de máscara de 3 orificios codificado por colores para películas evaporativas transitorias, permitiendo el seguimiento 3D con una sola cámara en un volumen restringido (14 x 14 x 5 mm³).
2. Estrategia de Calibración: El uso de una solución de sacarosa con índice de refracción coincidente para calibrar el sistema para DCM, superando las limitaciones de solvente del fluido de trabajo.
3. Desarrollo de Algoritmos: La creación de un método de ajuste de curvas de trayectoria que reduce significativamente el ruido de velocidad fuera del plano, una limitación común en los sistemas PTV de desenfoque de una sola cámara.
4. Primeras Mediciones de Velocidad 3D: La primera medición experimental de campos de velocidad 3D y estructuras convectivas dentro de películas evaporativas sometidas a sobrecalentamiento impulsivo.

Resultos

• Precisión del Sistema: El sistema demostró un error de localización de aproximadamente 0.6% en la dirección fuera del plano y de 0.07% en la dirección en el plano. Para una velocidad de flujo simulada de 6 mm/s, el error de velocidad fuera del plano fue de aproximadamente 6.4%.
• Pruebas de Validación:
  • Prueba de Remolino (Swirl Test): Una película de DCM agitada mostró una circulación consistente centrada en un punto específico, con velocidades promedio de 2.6 mm/s, confirmando la capacidad del sistema para rastrear el flujo en el plano.
  • Prueba de Jeringa: Un flujo de chorro de impacto demostró un vuelco claro en la dirección z con una oscilación mínima de los vectores, validando la capacidad de seguimiento fuera del plano.
• Experimentos de Evaporación Transitoria: Al aplicarse a películas de DCM sometidas a sobrecalentamiento impulsivo, el sistema capturó estructuras convectivas consistentes con las imágenes de Schlieren desde la parte superior (Kimball et al., 2017; Gonzalez et al., 2019). Las estructuras observadas incluyeron células poligonales y estructuras de convección de rodillo (roller convective structures).
• Mediciones de Velocidad: Las velocidades de las partículas medidas en las películas transitorias oscilaron entre 1 y 2 mm/s. La escala del vuelco convectivo fue comparable al espesor de la película.

Significado
El artículo afirma que este trabajo proporciona la primera observación y medición de la estructura convectiva interna tridimensional y las velocidades de los fluidos en películas evaporativas transitorias sometidas a sobrecalentamiento impulsivo. El sistema desarrollado y el algoritmo de suavizado de trayectoria ofrecen un método viable para investigar flujos transitorios a pequeña escala donde las configuraciones de múltiples cámaras son impracticables. Las velocidades medidas y las escalas estructurales se alinean con las predicciones basadas en la imagen de Schlieren previa, validando la técnica para estudios futuros de transferencia de calor y dinámica de fluidos en películas evaporativas. Los autores señalan que, si bien el sistema midió con éxito velocidades convectivas previamente desconocidas, la contribución principal es el establecimiento de una capacidad de medición para estas condiciones transitorias específicas.