Aquisição das imagens

Para captura das imagens os equipamentos devem estar devidamente ligados e os usuários do laboratório usando os óculos de proteção. A tela do modo de aquisição do programa Dynamic Studio está mostrada na Figura 18. Os parâmetros para aquisição das imagens são o tempo entre pulsos (Time between pulses), taxa de repetição (Trigger rate) e número de imagens (Number of images).

De acordo com Van Doorne e Westerweel (2007), é desejado que o deslocamento das partículas seja de no máximo 1/4 do tamanho da janela de interrogação entre o par de imagens. Como a velocidade em cada posição do

escoamento é constante para um determinado número de Reynolds, o parâmetro modificado para obter esse deslocamento é o tempo entre pulsos Δt. O tempo entre pulsos é dado em μs e calculado pelo sistema de controle e aquisição de dados para tamanhos de janela de interrogação de 1616, 3232, 6464 e 128128 pixels.

Figura 18 – Tela de operação do modo de aquisição de imagens do Programa Dynamic Studio

O tamanho da janela utilizado para que a quantidade de partículas fosse de 10 por janela foi de 64x64 pixels. Para o escoamento no tubo, a velocidade utilizada para o cálculo do tempo entre pulsos é a velocidade média do escoamento. Para o escoamento nas contrações, a velocidade utilizada para o cálculo do tempo entre pulsos é a velocidade máxima do escoamento, que ocorre próxima a entrada da contração. Para a contração de razão β=2,27 é aproximadamente 5 vezes a velocidade média e para a contração de razão β=4,39 é aproximadamente 10 vezes a velocidade média.

A taxa de repetição é a frequência em Hz na qual um par de imagens será capturado. Os valores de taxa de repetição utilizados nos testes foram os mesmos utilizados por Sánchez (2011).

O número de imagens adquiridas por conjunto é o máximo da capacidade de armazenamento da câmera que é de 1000 pares.

A Tabela 5 mostra os parâmetros tempo entre pulsos e taxa de repetição utilizados nos testes para o tubo e para as contrações.

Tabela 5 – Tempo entre pulsos e taxa de repetição para os diferentes números de Reynolds estudados para o tubo e contração

Re teórico Taxa de repetição [Hz]

Tempo entre pulsos [μs]

Tubo Contração β=2,27 Contração β=4,39 4900 15 1800 306 153 7500 15 - - 100 10000 15 920 150 75 13500 20 - - 55 17800 30 520 84 - 24600 35 380 61 -

Para capturar as imagens utiliza-se o botão Acquire e após o botão Save in

database para salvar as imagens. Com as imagens adquiridas corretamente, é

necessário o pós-processamento para geração dos mapas vetoriais, que está descrito na seção seguinte.

4.2.4.2 Pós-processamento

Com as imagens devidamente adquiridas, realiza-se a calibração através da análise Image Dewarping que será detalhada na seção 4.3.

Outro procedimento realizado tem objetivo de eliminar das imagens alguma partícula que possa ter colado nas paredes da geometria e assim influenciar nos resultados. Para isso utiliza-se a análise Image Mean que tem como resultado uma imagem que é a média entre todas, aparecendo claramente as partículas coladas na parede. A imagem gerada pela Image Mean é selecionada e subtraída pela análise

Image Arithmetic das demais. Os detalhes da eliminação de uma partícula colada na

parede do tubo podem ser observados na Figura 19.

O programa que calcula os mapas vetoriais não é capaz de identificar os limites de parede da geometria. Porém é possível utilizar a função Wall Windowing, na qual é necessário mostrar ao programa onde está a localização da parede. O

procedimento para diferenciar a parede da parte central é feito pela intensidade de cor onde a parede deve ter intensidade de cor zero (totalmente preto) enquanto na parte central a intensidade de cor será sempre maior que zero. Para isso utiliza-se a função Image Processing Library (IPL) na qual os parâmetros de intensidade de cor são ajustados para que tenham valores maiores ou iguais a um. Após é definida e aplicada uma máscara pelos procedimentos Define Mask e Image Masking selecionando áreas eliminadas pretas na região de parede.

Figura 19 – Detalhe de imagens do procedimento de eliminação de partículas coladas na parede: a) Imagem antes do procedimento b) Imagem gerada pelo procedimento Image Mean c)

Imagem após Image Arithmetic

Com as imagens devidamente tratadas o método automático e adaptativo de obtenção de mapas vetoriais de velocidade Adaptive PIV é utilizado. Esse método é capaz de adaptar os tamanhos de janela de interrogação entre um determinado intervalo a fim de se adaptar às densidades de partículas e locais de maiores gradientes de velocidade, obtendo-se assim melhores resultados de campo vetorial de velocidade.

Como o deslocamento das partículas no tubo é no sentido horizontal, para os testes utilizaram-se tamanhos de janelas de interrogação retangulares com valores de largura maiores do que altura. A variação dos tamanhos das janelas de interrogação utilizada no método Adaptive PIV para os testes nos tubos está mostrada na Figura 20.

Nos testes das contrações abruptas foram utilizadas janelas quadradas e a variação dos tamanhos das janelas está mostrada na Figura 21.

O método Adaptive PIV gera um mapa vetorial de velocidade para cada par de imagens. Para obter os resultados médios e estatísticos do escoamento utiliza-se a função Vector Statistics a qual gera um mapa vetorial com resultados desejados.

b

c

Figura 20 – Intervalo de tamanhos de janelas de interrogação utilizados nos testes para o tubo

Figura 21 – Intervalo de tamanhos de janelas de interrogação utilizados nos testes para as contrações abruptas

4.3 CALIBRAÇÃO

A calibração das imagens é realizada para indicar ao programa uma distância como referência e corrigir distorções da imagem que podem ser causadas por refração na parede do tubo, por efeitos de perspectiva e por distorções da lente, como o efeito barril, o qual é a curvatura gerada na imagem que apresenta curvas ao invés de linhas retas.

4.3.1 Captura das imagens para calibração

Para realização da calibração um gabarito de pontos devidamente usinado para que encaixe dentro do tubo (Figura 22) é inserido dentro da seção de testes com o auxílio de um imã colado na peça e outro na parte de fora da tubulação. O tubo é preenchido com o fluido de trabalho.

Figura 22 – Gabarito de calibração

A matriz de pontos utilizada nos testes foi impressa em papel transparente e colada na peça. O ponto central tem diâmetro 0,6 mm, os pontos nos eixos têm diâmetro 0,15 mm e os demais pontos têm diâmetro 0,3 mm. A distância entre os centros dos pontos é de 1,55 mm nas duas direções. A matriz tem 17 linhas e 23 colunas de pontos.

A captura das imagens para calibração é realizada após a captura das imagens das partículas. Dessa maneira o foco é ajustado para as partículas, obtendo-se uma imagem de melhor qualidade para a medição do escoamento e permanece o mesmo para as imagens do gabarito. Isso prejudica a qualidade da imagem do gabarito, porém, ainda é suficiente para realização da calibração.

Para a iluminação do gabarito é utilizada como fonte um refletor de luz branca. Como a potência da iluminação com o refletor é muito menor do que a potência do laser é necessário deixar o obturador da câmera com a abertura máxima, dessa maneira a maior quantidade de luz possível entra na câmera, deixando a imagem mais iluminada.

Para garantir a horizontalidade do gabarito dentro do tubo verifica-se na imagem se os pontos das extremidades no eixo y estão simétricos em relação à

origem. Isso pode ser feito medindo-se a distância em pixels entre o centro e as extremidades.

4.3.2 Tratamento das imagens para calibração

As imagens capturadas pela câmera são tratadas de modo que os pontos fiquem com maior contraste e o programa Dynamic Studio consiga identificá-los. Para isso utilizam-se as funções Define Image Balance e Image Balance disponíveis no programa. Após aplica-se uma máscara para apagar as paredes do tubo com as funções Define Mask e Image Masking. Na Figura 23 pode-se observar a imagem antes e após tratamento para calibração.

Figura 23 – Imagem para calibração antes e depois do tratamento

4.3.3 Geração das funções de mapeamento e calibração

Para a calibração é necessário gerar funções de mapeamento as quais são calculadas comparando os pontos reais da matriz de calibração com os pontos da imagem da matriz obtida pela câmera. Para a geração da grade utilizou-se a função de calibração Multi Camera Calibration com o modelo de imagem 3rd order XYZ

polynomial imaging model fit que é um modelo polinomial de terceira ordem e

estritamente empírico. Não há argumentos físicos para justificar seu uso, porém, em experimentos onde não linearidades significativas estão presentes o modelo de imagem polinomial se mostra superior a outros (Dantec Dynamics, 2014).

A grade com as funções de mapeamento deve atingir as linhas de pontos mais próximas à parede do tubo, as quais são os pontos críticos do teste, e não

deve extrapolar os limites da parede. A Figura 24 mostra a grade das funções de mapeamento sobre a imagem do gabarito.

Figura 24 – Grade das funções de mapeamento para calibração gerada com funções polinomiais de terceira ordem

A calibração das imagens das partículas é realizada selecionando a grade gerada e aplicando a função Image Dewarping.