Vizualizace proudění

Vizualizace proudění

V roce 2010 se naše laboratoř stala prvním místem v Evropě, kde probíhá vizualizace proudění normálního tekutého a supratekutého helia pomocí metod PIV (Particle Image Velocimetry - planární laserová anemometrie) a PTV (Particle Tracking Velocimetry - sledování trasovacích častic). Nízkoteplotní vizualizační instrumentace zahrnuje komerční kryostat s námi navrženým optickým přístupem, pevnolátkový CW laser a rychlé kamery. Experimentální zařízení nám umožňuje studovat tepelně generovaný protiproud normální a supratekuté složky He II i proudění generováno mechanicky, pomocí oscilujících překážek nebo mřížek.

Obě vizualizační metody vyžadují trasovací částice mikronových rozměrů rozptylující laserové záření, které je detekováno kamerou a poskytuje tak časově závislou informaci o poloze částic. V závislosti na vybrané metodě je pak statisticky získáno buď rychlostní pole proudění z poloh mnoha částic (PIV) nebo časově rozlišené trajektorie jednotlivých částic (PTV).

Sami jsme navrhli a vyrobili speciální systém výroby těchto částic. Tuhé částice vyrábíme vstřikováním plynného vodíku, deuteria, nebo hydridu deuteria (zředěného v poměru asi 1:100 v plynném héliu) přímo do kapalného helia. Kryostat je napojen na výkonnou čerpací jednotku přes počítačem řízený křídlový ventil. Tento systém umožňuje velmi přesnou automatickou regulaci teploty s požadovaným průběhem.

Použití komerčního i vlastního SW nám umožňuje zběr velkého množství obrazových dat (stovky GB za den) a jejich pozdější analýzu (detekování částic na jednotlivých snímkách, spojování trajektorií, statistické zpracování dat).

Vybavení laboratoře

  • dovuplášťový kryostat pro tekuté hélium s optickým přístupem
  • sériově zapojená rotační olejová a Rootsova vývěva
  • pevnolátkový laser (cca 5 W) a příslušná optická soustava
  • vysokorychlostní digitální CMOS kamera (6500 fps @ 1 Mpix)
  • citlivá digitální SCMOS kamera (50 fps @ 5.5 Mpix)
  • vlastní aparatura pro výrobu částic - k dispozici vodík (H2), deuterium (D2) a hydrid deuteria (HD)
  • 3 krokové motory (1.2 Hz, 3 Hz a 10 Hz), lineární krokový motor

    

Ukázky vizualizace

Vizualizace teplotního protiproudu v supratekutém 4He při teplotě 1,66 K. V heliové lázni jsou rozptýleny deuteriové částice mikronových rozměrů. Proudění je vytvářeno pomocí topení umístěného pod zorným polem kamery, dodávající tepelný rok asi 500 W/m2.

 

Vizualizace proudění v okolí oscilující překážky v supratekutém 4He při teplotě 1,24 K. V heliové lázni jsou opět rozptýleny deuteriové částice mikronových rozměrů.

Vizualizace pravděpodobně přepojení kvantovaných vírů v He II, při teplotě asi 1,5 K. Na vírech jsou zachyceny částice pevného deuteria mikronových rozměrů.