Mikro kanallarda akış hızı ölçümünde CCD kameranın özelliklerini kullanarak mikro-PIV sisteminin performansının arttırılması
Improving a micro-PIV system's performance by using a CCD camera features at the flow velocity measurement in micro-channels
Yazar: BAŞAK AKSELLİ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL TEKE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
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 (PIV-particle 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.

Abstract:
Interest in the negotiation of microfluid dynamics has increased with the progress in micro and nano scale systems development, and especially with the increase in the applications of microfluidic devices. Particle Image Velocimetry (PIV) is a powerful tool used for flow visualization and analysis in these negotitation studies. However, the industrial PIV systems are bulky and very expensive, thus are not easily accessible for the research community. 
In this study, constructing a cost effective micro PIV system for metrological flow investigations in microchannels is aimed. One of the components which increases the system's overall cost is the high speed camera. Because of it, a double-shutter CCD (Charge Coupled Device) camera was used instead of a high speed camera in this study. Thus, a method is thought that the dynamic speed range of PIV System would be increased by using a CCD camera binning feature as well as the spatial resolution would also be kept by using double-shutter feature of the CCD camera. 
The binning mentioned above is the process which merges the charges of the pixels in vertical, horizontal or both directions to make one bigger charge. The binning feature increases the camera's speed while reducing the spatial resolution of the region of interest. Throughout the experiments, it was shown that it is possible to double the dynamic speed range of the PIV system with the neglible errors despite the resolution loss. For instance, the maximum measurable speed in the normal mode of the system increased by 1,5 times at the 2×1 and 2×2 binning modes, and 2 times at the 3×1 mode in the experimental conditions of this study. The accuracy of the system was validated by using the flow images in the various size microchannels. The obtained results were also compared with the conventional analytical solutions and it was seen that they were in a good agreement. In addition, since the binning feature reduces the spatial resolution, the effect of tracer particle size on the bias error distribution was negotiated.  Thus, it was found that the error due to the resolution loss is negligible if the particle size is twice as big as the size of the super pixel (merged pixels by binning). This finding can be used as a guideline to design a particular experimental setup.
The use of double-shutter mode with the binning mode improved the spatial resolution in this study. First of all, it was seen that the ratio of current velocity vectors to the total calculated velocity vectors increased. For instance, the statistical analysis of the cross-correlation calculation of the image pairs obtained from the CCD camera in the normal mode showed that the ratio of current velocity vectors to the total calculated velocity vectors was about 80%. This value at the same lighting level increased for the images at 1 × 2 and 2 × 1 binning mode. For these two binning mode, the ratio of current velocity vectors to the total calculated velocity vectors was increased to 90% and 92%, respectively. Finally, the ratios for the 2 × 2 binning mode were obtained as 95-96%. These results showed that the PIV image quality can be improved by using double-shutter mode of CCD cameras, even in the lowest lighting conditions. Furthermore, it was seen that it was also possible to reach the high speeds at the normal mode as that of the 2×2 binning mode by using the double-shutter feature.
Moreover, Micro-PIV system was used to calculate the pressure drops obtained from the velocity profiles. For this study, the velocity profiles at the different depths in the channel were omitted. These obtained values were compared with the values calculated on Fluent software and from conventional analytical equations, and the received data from the pressure difference meter. The results showed that the micro-PIV system can be used for pressure drop calculations with low errors. However, these calculations require some effortful measurements and analyses.
Finally, the effect of particles ratios in the water to the flow profile according to the particle diameters and microchannel cross-section was negotiated by using a simulation on Fluent Software. It was seen that the error due to particle concentrations and diameters in the water-particle mixture is negligible in the experiments of this study.