Höghastighets 3D avbildning av vätske jetstrålar, ytor och respiratoriska droppar

This thesis is intended for you with an interest in post-processing for 3D imaging and would not mind learning how some techniques can work on liquids. The thesis details and evaluates three measurement techniques applied on liquid jets, surfaces and respiratory droplets, respectively. They are connected to events found in among other combustion, food production and disease spreading.

Den 12e november 1732 visade en man vid namn Henri Pitot sin nya uppfinning för den Kungliga franska vetenskapsakademin i Paris. Han visade två rör. Det ena röret var rakt medan det andra var format som ett L. Vad var poängen med uppfinningen? Jo, den utvecklades för att mäta flödeshastigheten av vatten i floder. På den tiden var det standard att mäta flöde genom att placera ett föremål (vanligtvis en apelsin för dess utmärkta flytförmåga) i floden och observera dess hastighet. Det fungerade bra men det fanns en grundläggan­de begränsning. Man kunde bara mäta flödeshastigheten vid ytan. Pitots rör fungerade på ett annat sätt som gjorde det möjligt att mäta hastigheten på olika djup i floden. Plötsligt öppnades en ny dimension. Med sin nya mätanordning utmanade Pitot den då framstående teorin att flödeshastigheten i en flod ökar med djupet. Han fann, med rätta, att det motsatta var fallet. Denna mycket grundläggande kunskap om vätskedynamik upptäcktes som ett resultat av det banbrytande mätverktyget.

Denna avhandling har en hel del likheter med Pitot’s rör. Jag presenterar här mättekniker som låser upp ytterligare en dimension av vätskor. Denna dimension är den tredje dimensionen. Den tredje dimensionen som vi alla lever i, den tredje dimensionen som du uppfattar i fjärran, den tredje dimensionen där alla vätskefenomen äger rum. För närvarande appliceras främst 2D mätningar på vätskor som har gett betydande insikter i vätskedynamik. Det kan dock aldrig ge den fullständiga bilden eftersom alla vätskefenomen som sagt sker i 3D vilket gör 3D­mätningar viktiga. Jag presenterar tre olika typer av 3D­mätningar i denna avhandling som har utförts på tre olika vätskefenomen: en vattenstråle, en vätskeyta formad som en ihålig kon och respiratoriska droppar. De första två är fenomen med stora industriella tillämpningar. De är båda nära förbundna med sprayer som används på fler ställen än man kan tro. Exempel är målning, kylning, livsmedelsförädling, brandbekämpning, förbränningsmotorer med mera. En förbättrad förståelse av vattenstrålen och den ihåliga konens vattenskiva kan ge en högre precision och effektivitet för både applikationer i jetstrålar och sprayer.

Det tredje fenomenet var respiratoriska droppar som är kopplade till den alldeles för välkända COVID19­pandemin. Vi kan nog alla säga var vi var när världen stängdes av (mest troligt hemma försökte förstå sig på zoom). För att minska risken för överfulla sjukhus var det viktigt att fördröja spridningen av viruset. Den första misstänkta för spridningen var direktkontakt mellan människor och förorenade ytor som exempelvis tangentbord och styrande vidtog åtgärder för att minska sannolikheten för att viruset skulle spridas på detta sätt. Senare antydde forskning att denna väg inte var så trolig som först antyddes eftersom virus inte kan överleva på ytor tillräckligt länge. Nästa misstänkt för spridning en var då de ökända respiratoriska dropparna. Dessa droppar skjuts ut när vi pratar, hostar eller liknande och de kan sväva länge i luften där de sedan kan andas in och infektera en annan människa. Hösten 2020 ville vi hjälpa till att förstå denna spridningsväg så vi använde våra laboratoriekunskaper i spraybildbehandling för att extrahera information om 3D­hastighet och storlek på dessa små droppar. Hastighet och storlek är viktig information för att förstå vilka åtgärder som bör vidtas för att förhindra spridning av viruset.

I denna avhandling presenterar jag de tre 3D­mättekniker vi har utvecklat som låser upp den tredje dimensionen av alla dessa fenomen. Jag hoppas att dessa mättekniker kommer att producera kunskap tidigare utom vårt räckhåll, precis som Pitot­röret gjorde, och både förbättra sprayer för specifika applikationer och vår förmåga att bekämpa framtida pandemier.