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

Resumo Técnico: Um Sistema de Velocimetria de Rastreamento de Partículas 3D Codificado por Cores para Medição de Velocidade em Filmes Evaporativos Transientes

Definição do Problema
A evaporação de filmes é crítica para diversas aplicações de engenharia, incluindo processos de revestimento, vaporização de combustível e gerenciamento térmico eletrônico. Embora filmes evaporativos não evaporantes, aquecidos e não aquecidos tenham sido extensivamente estudados, o desenvolvimento transiente de filmes evaporativos impulsivamente superaquecidos permanece menos compreendido. Especificamente, a estrutura convectiva interna tridimensional e as velocidades do fluido dentro desses filmes transientes não foram observadas ou medidas anteriormente. As técnicas existentes de Velocimetria de Imagem de Partículas (PIV) e Velocimetria de Rastreamento de Partículas (PTV) frequentemente exigem múltiplas câmeras cuidadosamente alinhadas, o que apresenta desafios significativos em fluxos de pequena escala com janelas de visualização limitadas. Além disso, métodos de desenfoque de câmera única, embora simplifiquem a óptica, tipicamente sofrem com altos níveis de ruído nas medições de velocidade fora do plano (direção z).

Metodologia
Para enfrentar esses desafios, os autores implementaram um sistema de Velocimetria de Rastreamento de Partículas (PTV) 3D de câmera única e codificado por cores. A configuração óptica central utiliza uma máscara de 3 pinholes instalada dentro de uma lente de câmera, onde cada pinhole é coberto por um filtro de cor distinto (Vermelho, Verde, Azul). Esse arranjo cria uma exposição tripla codificada por cores no sensor da câmera para cada partícula traçadora. A separação espacial dos tripletos de cores corresponde à distância da partícula em relação ao plano focal (localização z), enquanto o centroide do triplet indica a localização no plano (x, y).

• Configuração Experimental: O sistema foi testado usando filmes de diclorometano (DCM) (100 mm de diâmetro, 2–5 mm de espessura) submetidos a um superaquecimento impulsivo via queda rápida de pressão. As partículas traçadoras consistiram em esferas cerâmicas ocas revestidas de prata (29–37 µm) com densidade correspondente à do DCM para minimizar o assentamento gravitacional.
• Calibração: Devido às propriedades de solvente do DCM, uma placa de calibração padrão não poderia ser movida através do fluido de trabalho. Em vez disso, uma placa de calibração foi transladada através de uma solução de sacarose (concentração de 52%) com um índice de refração correspondente ao do DCM (1.42).
• Processamento de Dados: Um fluxo de trabalho customizado combinou scripts de MATLAB e o software TSI Insight V3V 4g. O MATLAB realizou o pré-processamento das imagens para separar os tripletos de cores e remover o ruído de fundo. O software V3V realizou a identificação de partículas, o pareamento e o cálculo inicial de vetores.
• Redução de Ruído: Para mitigar o ruído inerente fora do plano dos sistemas de desenfoque, um algoritmo de ajuste de curva de trajetória foi desenvolvido. As trajetórias das partículas foram rastreadas através de passos temporais para formar linhas de corrente (pathlines). Essas trajetórias foram ajustadas com polinômios por partes para suavizar os dados, e os vetores de velocidade foram recalculados a partir das posições suavizadas.

Principais Contribuições

1. Implementação do Sistema: A implementação bem-sucedida de um sistema de máscara de 3 pinholes codificado por cores para filmes evaporativos transientes, permitindo o rastreamento 3D com uma única câmera em um volume restrito (14 x 14 x 5 mm³).
2. Estratégia de Calibração: O uso de uma solução de sacarose com índice de refração correspondente para calibrar o sistema para o DCM, superando as limitações de solvente do fluido de trabalho.
3. Desenvolvimento de Algoritmo: A criação de um método de ajuste de curva de trajetória que reduz significativamente o ruído de velocidade fora do plano, uma limitação comum em sistemas PTV de desenfoque de câmera única.
4. Primeiras Medições de Velocidade 3D: A primeira medição experimental de campos de velocidade 3D e estruturas convectivas dentro de filmes evaporativos impulsivamente superaquecidos.

Resultos

• Precisão do Sistema: O sistema demonstrou um erro de localização de aproximadamente 0,6% na direção fora do plano e de 0,07% na direção no plano. Para uma velocidade de fluxo simulada de 6 mm/s, o erro de velocidade fora do plano foi de aproximadamente 6,4%.
• Testes de Validação:
  • Teste de Redemoinho (Swirl Test): Um filme de DCM agitado mostrou circulação consistente centrada em um ponto específico, com velocidades médias de 2,6 mm/s, confirmando a capacidade do sistema de rastrear o fluxo no plano.
  • Teste de Seringa: Um fluxo de jato impingido demonstrou uma inversão clara na direção z com oscilação mínima de vetores, validando a capacidade de rastreamento fora do plano.
• Experimentos de Evaporação Transiente: Quando aplicado a filmes de DCM impulsivamente superaquecidos, o sistema capturou estruturas convectivas consistentes com imagens de schlieren top-down anteriores (Kimball et al., 2017; Gonzalez et al., 2019). As estruturas observadas incluíram células poligonais e estruturas de convecção de rolo (roller structures).
• Medições de Velocidade: As velocidades das partículas medidas nos filmes transientes variaram de 1 a 2 mm/s. A escala da inversão convectiva foi comparável à espessura do filme.

Significância
O artigo afirma que este trabalho fornece a primeira observação e medição da estrutura convectiva interna tridimensional e das velocidades do fluido em filmes evaporativos transientes submetidos a superaquecimento impulsivo. O sistema desenvolvido e o algoritmo de suavização de trajetória oferecem um método viável para investigar fluxos transientes de pequena escala onde configurações de múltiplas câmeras são impraticáveis. As velocidades medidas e as escalas estruturais alinham-se com as previsões baseadas em imagens de schlieren anteriores, validando a técnica para estudos futuros de transferência de calor e dinâmica de fluidos em filmes evaporativos. Os autores observam que, embora o sistema tenha medido com sucesso velocidades convectivas anteriormente desconhecidas, a principal contribuição é o estabelecimento de uma capacidade de medição para essas condições transientes específicas.