Simultaneous Image Registration and Monocular Volumetric Reconstruction of a fluid flow

We propose to combine image registration and volumetric reconstruction from a monocular video of a draining off Hele-Shaw cell filled with water. A Hele-Shaw cell is a tank whose depth is small (e.g. 1 mm) compared to the other dimensions (e.g. 400 800 mm2). We use a technique known as molecular tagging which consists in marking by photobleaching a pattern in the fluid and then tracking its deformations. The evolution of the pattern is filmed with a camera whose principal axis coincides with the depth of the cell. The velocity of the fluid along this direction is not constant. Consequently,tracking the pattern cannot be achieved with classical methods because what is observed is the integration of the marked particles over the entire depth of the cell. The proposed approach is built on top of classical direct image registration in which we incorporate a volumetric image formation model. It allows us to accurately measure the motion and the velocity profiles for the entire volume (including the depth of the cell) which is something usually hard to achieve. The results we obtain are consistent with the theoretical hydrodynamic behaviour for this flow which is known as the laminar Poiseuille flow

Image registration algorithm for molecular tagging velocimetry applied to unsteady flow in Hele-Shaw cell

In order to develop velocimetry methods for confined geometries, we propose to combine image registration and volumetric reconstruction from a monocular video of the draining of a Hele-Shaw cell filled with water. The cell’s thickness is small compared to the other two dimensions (e.g. 1x400 x 800 mm3). We use a technique known as molecular tagging which consists in marking by photobleaching a pattern in the fluid and then tracking its deformations. The evolution of the pattern is filmed with a camera whose principal axis coincides with the cell’s gap. The velocity of the fluid along this direction is not constant. Consequently, tracking the pattern cannot be achieved with classical methods because what is observed is the integral of the marked molecules over the entire cell’s gap. The proposed approach is built on top of direct image registration that we extend to specifically model the volumetric image formation. It allows us to accurately measure the motion and the velocity profiles for the entire volume (including the cell’s gap) which is something usually hard to achieve. The results we obtained are consistent with the theoretical hydrodynamic behaviour for this flow which is known as the Poiseuille flow

Intercorrélation d’images PIV sur GPU–application à un écoulement en fluide turbide

La Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) est une technique de mesure largement utilisée en Mécanique des Fluides, faisant intervenir une source Laser associée à une ou plusieurs caméras. L’utilisation de capteurs matriciels de haute résolution (>= à 4 Mpixels) se généralise aussi bien pour des systèmes d’acquisition basse cadence (de l’ordre de quelques Hertz), que pour des systèmes rapides autorisant des fréquences d’acquisition de plusieurs KiloHertz. Il devient désormais usuel de générer des centaines de GigaOctets de données lors d’une étude expérimentale. Ces données sont ensuite traitées numériquement avec des algorithmes itératifs de traitement d’images pour lesquels on recherche une précision et une robustesse suffisantes. Avec des algorithmes exécutés de manière séquentielle, ce temps de traitement est largement supérieur au temps nécessaire pour l’acquisition des données. Nous proposons, dans cette communication, de détailler l’algorithme d’intercorrélation d’images que nous avons porté sur une architecture GPU (Graphics Processing Units), particulièrement adaptée aux tâches de traitement d’images parallélisées. Cette application GPU, développée sous CUDA, a été utilisée pour étudier la propagation d’anneaux tourbillonnaires en fluide non newtonien par PIV2D2C. L’objectif du portage sous GPU étant de réduire les temps d’exécution, le calcul de la fonction d’intercorrélation d’images normalisée (ZNCC) est effectué spatialement. Pour des dimensions conventionnelles de maille d’analyse (16² pixels par exemple), le calcul de corrélation directe sur GPU s’avère plus rapide que le calcul dans l’espace spectral (par FFT) sur la même architecture matérielle. Par rapport aux précédentes études ([1], [2]), les temps spécifiques d’exécution des sous-routines seront détaillés. L’algorithme mis en œuvre est multi-passe avec une dimension d’analyse décroissante. Entre chaque itération, les mailles de calcul sont décalées symétriquement en valeur décimale afin de centrer le pic de corrélation sur la maille d’analyse [3]. Les temps de calcul, pour un couple d’images 2048x2048 pixels, sont quantifiés avec différentes cartes graphiques, incluant les temps de transfert mémoire CPU GPU. Les temps d’exécution en fonction du nombre de cœurs équipant les cartes sont donnés ci-dessous (tableau1). Le processus complet fait intervenir quatre itérations sur l’ensemble de l’image : 1 itération avec un maillage original en 32² pixels suivie de 3 itérations avec un maillage final de 16² pixels. On observe des temps d’exécution décroissant en fonction du nombre de cœurs et de l’amélioration globale des performances des architectures graphiques. Cela traduit une accélération du traitement par intercorrélation d’images PIV. Par ailleurs, ce type de traitement peut être effectué en local, sans transfert de grandes quantités de données ; ce qui autorise un retour rapide sur la qualité des résultats mais également sur la validation du nombre de champs de vitesse nécessaire à la convergence des données statistiques à extraire. Les résultats expérimentaux sur lesquels nous proposons des tests comparatifs sont issus de l’étude du développement d’un anneau tourbillonnaire en fluide non newtonien. Le dispositif expérimental est présenté sur la figure 1. L’anneau est généré par un système cylindre-piston ( 21mm) dans une cuve de section carrée 240x240 mm2. Le cylindre est centré dans la cuve et on réalise des mesures du champ de vitesse dans un plan diamétral sur une fenêtre 80x80mm2. Une visualisation par fluorescéine est proposée sur la figure 2 (gauche). La chaîne PIV est constituée d’un laser Quantel Nd-YAG CFR200 et d’une caméra PCO 2000 2048x2048 pixels. L’ensemencement est assuré avec des particules d’Orgasol, de diamètre Dp=60 µm. L’une des difficultés de ce travail expérimental provient de la turbidité des fluides utilisés (solutions de Xanthane pour obtenir un comportement non newtonien rhéofluidifiant). Celle-ci entraîne un rapport « signal sur bruit » des images de particules qui est très pénalisant lors du traitement PIV. La seconde des difficultés est liée à l’information recherchée dans cette étude, la vorticité, qui est calculée à partir des gradients de vitesse et qui nécessite donc des champs de vitesse de très bonne qualité. Les résultats obtenus (figure 2) montrent que l’obtention des dérivées spatiales de la vitesse, particulièrement sensible au bruit de mesure, reste accessible au moyen de la fonction de corrélation normalisée (ZNCC) calculée dans notre implémentation sur GPU

Topographically induced internal solitary waves in a pycnocline: Ultrasonic probes and stereo-correlation measurements

Internal solitary waves (ISWs) are large amplitude stable waves propagating in regions of high density gradients such as the ocean pycnocline. Their dynamics has often been investigated in two-dimensional approaches, however, their three-dimensional evolution is still poorly known. Experiments have been conducted in the large stratified water tank of CNRM-GAME to study the generation of ISWs in two academic configurations inspired by oceanic regimes. First, ultrasonic probes are used to measure the interfacial displacement in the two configurations. In the primary generation case for which the two layers are of constant density, the generation of ISWs is investigated in two series of experiments with varying amplitude and forcing frequency. In the secondary generation case for which the lower layer is stratified, the generation of ISWs from the impact of an internal wave beam on the pycnocline and their subsequent dynamics is studied. The dynamics of ISWs in these two regimes accords well with analytical approaches and numerical simulations performed in analogous configurations. Then, recent developments of a stereo correlation technique are used to describe the three-dimensional structure of propagating ISWs. In the primary generation configuration, small transverse effects are observed in the course of the ISW propagation. In the secondary generation configuration, larger transverse structures are observed in the interfacial waves dynamics. The interaction between interfacial troughs and internal waves propagating in the lower stratified layer are a possible cause for the generation of these structures. The magnitude of these transverse structures is quantified with a nondimensional parameter in the two configurations. They are twice as large in the secondary generation case as in the primary generation case

Milli-PIV rheology of shear-thinning fluids

Milli-Particle Image Velocimetry (Milli-PIV), which is an application of the standard PIV has been developed to measure the velocity distribution of complex fluids in a millimetric Hele-Shaw cell. A laser sheet is sent perpendicularly to the cell and the camera observes the PIV images via an internal optical prism. We studied, with Milli-PIV, a structural series of shear thinning xanthan fluids at different injection rates. We determined the velocity profiles in the thickness of the flow cell and discussed the accuracy of measurement. Using an inverse method, we calculated the constitutive parameters and showed that they are similar to those measured by rheology. The pressure gradient characteristic of the couple experimental conditions - fluid were also calculated from modeling the velocity profile

Vélocimétrie 3D par marquage moléculaire et recalage d’image pour le passage d’une bulle isolée en cellule de Hele-Shaw

Cet article décrit l’application de techniques de vision par ordinateur à la mesure de vitesse pour deux écoulements générés en Cellule de Hele-Shaw (CH). Un Écoulement Laminaire de Poiseuille (ELP) est généré par la vidange de la CH remplie d’un liquide préalablement au repos. La figure 1 donne un aperçu de la configuration expérimentale. Nous proposons un nouvel algorithme combinant le Recalage d’Image Direct (RID) et une reconstruction volumique en vision monoculaire permettant de suivre le mouvement d’un motif marquant le liquide au niveau moléculaire. La méthode nous permet d’obtenir une mesure expérimentale de l’ELP dans des géométries à accès optique limité. Précédemment, des mesures de vitesse de cet écoulement académique ont principalement été obtenues pour des régions d’intérêt restreintes (1 mm3 par µPIV (Sinton [2004])) ou sans prise en compte directe du mouvement dans la profondeur de la CH (par PIV classique (Roudet et al. [2011])). Par comparaison, notre approche nous permet de mesurer le développement de l’ELP pour un volume conséquent en milieu confiné (ici 147×147×1 mm3). Dans un deuxième temps, nous nous intéresserons à la mesure de vitesse en amont d’une bulle en ascension dans une CH à partir d’images générées numériquement. Les phénomènes observés sont de nature déformable et nous cherchons à faire une mesure tridimensionnelle à partir d’observations 2D uniquement. Nous proposons donc une méthode reposant sur deux éléments : d’une part, une modélisation 3D du liquide et de son mouvement en CH et, d’autre part, des contraintes physiques générales et souples. Garbe et al. [2008] proposent une variante d’estimation classique par flot optique en intégrant un modèle volumique pour un écoulement gazeux en micro-canal. Cependant, dans Garbe et al. [2008], le modèle d’ELP est utilisé comme un « a priori » très fort. L’article est organisé de la manière suivante. Nous décrivons le dispositif expérimental et le marquage moléculaire par photobleaching en §2. Notre algorithme de suivi et de reconstruction est détaillé en §3. Les résultats sont présentés en §4. En §5, nous concluons et discutons des applications potentielles de notre travail

Investigation of the three-dimensional turbulent near-wake structure past a flat plate by tomographic PIV at high Reynolds number

This paper reports an experimental investigation of the high-Reynolds number turbulent flow pasta thin flat plate with sharpuntapered edges,by means of tomographic PIV. The experiments,carried out in the S4 wind tunnel of IMFT, have quantified the three-dimensional coherent vortex structures, by means of 3-D Proper Orthogonal Decomposition and reconstruction. The interaction of themostenergetic coherent structures with the random turbulence is discussed. Furthermore, Proper Orthogonal Decomposition (POD), analysis allowed evaluation of three-dimensional phase-averaged dynamics that quantified the vortex shedding mechanism as well as the influence of higher modes associated with the finer-scale turbulence

Investigation par inhibition de fluorescence des mécanismes locaux de transfert de masse en écoulement de Taylor

Dans cette étude, le transfert de masse gaz-liquide en écoulement de Taylor est investigué, dans une conduite verticale de section circulaire millimétrique, par les techniques de Fluorescence par Plan Laser avec Inhibition (PLIFI) et ombroscopie. Une méthode spécifique a été développée pour quantifier les champs de concentration moyens en gaz dissous, donnant accès à l’évolution du transfert de masse en fonction du temps de présence des bulles dans la conduite. Une correction liée à la diffusion de la lumière proche des interfaces gaz-liquide a été implémentée afin de s’affranchir de ce bruit optique. La zone du film de lubrification est observée avec détails pour extraire les profils de concentration et quantifier séparément sa contribution au transfert de masse total, ainsi que la contribution des bouchons de liquide

Modelling of mass transfer in Taylor flow: investigation with the PLIF-I technique

An experimental investigation of mass transfer between bubbles, slugs and lubrication films is performed by means of optical techniques for air-water Taylor flows in a 3 mm glass channel. Bubble size, shape and velocity, as well as slug size and film thickness, are measured by use of the shadowgraphy technique. The PLIF-I technique, with associated specific technical adjustments and image processing methods, gives access to the dissolved oxygen concentration in the liquid phase with high spatial and temporal resolutions. Values of concentration are measured in the slugs and, for the first time, in the lubrication films, leading to the quantification of mass transfer contributions from caps and from the central bubble body. Results for overall mass transfer are compared to literature models based on volumetric coefficient kLa. Among them the model proposed by Van Baten and Krishna (2004), which considers cap and film contributions to kLa. They are found to fail to accurately predict the experimental data of average O2 concentration in the liquid phase for short slugs (Ls < 2dc). An improved version of this model is proposed, allowing calculation of O2 concentration for films and slugs along the channel. The model needs flow characteristics, which are obtained by shadowgraphy

A stereoscopic method for rapid monitoring of the spatio- temporal evolution of the sand-bed elevation in the swash zone.

A stereoscopic technique is developed in order to measure the sand-bed elevation in the swash zone at thewave time-scale. The present technique allows one to perform highly resolved measurements both in time and in space. An accuracy and a precision of less than 300 μm and 600 μm, respectively, are obtained in each direction. This technique has been used during a large-scale wave flume experiment where an erosive process of a plane beach is studied. The stereoscopic technique allows one to accurately measure the long-term evolution of the beach profile. In addition, spatially dependent variability on shorten time-scales is observed featuring accretion as well as erosion at the wave time-scale