Instrumentación

 

The shadowgraph imaging technique and its modern application to fluid jets and drops

 

R. Castrejón–Garcíaª, J.R. Castrejón–Pita^b, G.D. Martin^b, and I.M. Hutchings^b

 

^a Centro de Investigación en Energía, Universidad Nacional Autónoma de México, Priv. Xochicalco s/n, Temixco, Mor. 62580, México.

^b Institute for Manufacturing, University of Cambridge, 17 Charles Babbage Road, Cambridge, CB3 0FS, United Kingdom.

 

Recibido el 7 de febrero de 2011
Aceptado el 11 de abril de 2011

 

Abstract

The shadowgraph technique is discussed in terms of some modern application to fluid visualization and the characterization of free–surface flows. A brief description of shadowgraph photography is presented which emphasizes the parameters which need to be controlled to obtain useful images for digital processing and analysis. Several examples of shadowgraph images are presented together with their analysis to exemplify the variety of quantitative measurements that are possible with modern imaging tools. Three experimental setups were developed for different novel applications at different length scales: centimeter–long jets, millimeter–size sprays and micrometer–size droplets. The components used for these shadowgraph imaging systems range from standard photographic flash sources to specialized spark flash lamps and from single lens reflex (SLR) camera lenses to purpose–built systems with research–grade optical elements. Image analysis was developed and used to derive various types of information from the different systems. For jets it was used to determine the dynamic surface tension of the jetted fluid, for sprays it was employed to determine the ligament–droplet size distribution along the jetting axis and in inkjet printing it was used to determine the angular deviation and terminal speed of the jets and droplets.

Keywords: Sprays; droplets; jets; shadowgraph.

 

Resumen

La técnica de fotografía de sombra se discute en términos de algunas de sus aplicaciones modernas en la visualización de fluidos y la caracterización de flujos con superficie libre. La fotografía de sombra se describe brevemente, haciendo hincapié en los parámetros que se deben controlar para obtener imágenes aptas para el procesamiento digital y análisis. Se presentan también algunos ejemplos de imágenes de fotografía de sombra con su correspondiente análisis, para ejemplificar la variedad de mediciones cuantitativas que pueden hacerse con las herramientas modernas de imagen. Se desarrollaron tres montajes experimentales para algunas aplicaciones novedosas: chorros de centímetros de largo, aerosoles de milímetros de tamaño y gotas de micras de tamaño. Los componentes que se utilizan en estos sistemas de fotografía de sombra van desde fuentes de destello estándar, hasta lámparas especializadas de destello con chispa; y desde cámaras reflex de un solo lente (SLR), hasta sistemas construidos expresamente con elementos ópticos de alta calidad. El método de análisis de las imágenes fue desarrollado para obtener diversos tipos de información de los diferentes sistemas; en los chorros se usa para encontrar la tension superficial dinámica del fluido eyectado; en los aerosoles se usa para determinar la distribución de tamaño de los ligamentos y las gotas a lo largo del eje del aerosol; y en los chorros de impresion de tinta se usa para determinar su desviación angular y la velocidad terminal de los chorros y las gotas.

Descriptores: Aerosoles; gotas; chorros; fotografía de sombra.

 

PACS: 47.80.Jk; 47.55.db; 47.80.Jk; 81.15.Rs; 82.70.Rr

 

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Acknowledgments

This work was supported by the Engineering and Physical Sciences Research Council (UK) and industrial partners in the Next Generation Ink–jet Printing project.

 

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