Benjamin Böhm, Andreas Dreizler. FG Energie- und Kraftwerkstechnik Technische Universität Darmstadt

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1 Particle Image Velocimetry Benjamin Böhm, Andreas Dreizler FG Energie- und Kraftwerkstechnik Technische Universität Darmstadt

2 Merkmale Berührungsloses Messverfahren Messung von Geschwindigkeitsfeldern Messung von momentanen Strömungsfeldern Messung der zeitlichen Entwicklung von Strömungsfeldern Anwendungsgebiete: - Instationäre Strömungsfelder mit räumlichen und/ oder zeitlichen Geschwindigkeitsgradienten - Untersuchung von kohärenten Strukturen - Validierung numerisch berechneter Strömungsfeldern

3 Bestimmung der Geschwindigkeit Die Strömungsgeschwindigkeit wird über die Verschiebung der beigefügten Partikel bestimmt, unter Berücksichtigung der: - Zeitverzögerung zwischen den 2 Belichtungen - Abbildungseigenschaften der Optik v t i () v v u( X, t) v X i ( t2 ) Particle trajectory v D Fluid pathline v X ( i t ) 1 After: Adrian, Adv. Turb. Res. (1995) 1-19

4 Prinzip

5 Komponenten eines PIV Systems Hinzufügen geeigneter Partikel (Seeding) Doppelte Beleuchtung der Partikel Aufnahme des reflektierten t Lichts Bestimmung der Partikelverschiebung Weiterverarbeitung der Messdaten (Postprocessing)

6 Hinzufügen geeigneter Partikel Problem: Kleine Teilchen gutes Folgevermögen Große Teilchen gute Streueigenschaften Berücksichtigung des Anwendungsgebietes (Strömungsmedium, Strömungsgeschwindigkeit, Temperaturen) Geeigneter Kompromiss zwischen Folgevermögen und optischer Eigenschaft Partikelanzahl pro interrogation Volume Typische Partikel für Gasströmungen: Typ Material D mittel in µm Fest MgO 1-5 TiO Glasperlen Rauch <1 Flüssig Öle 0,5 10

7 Beleuchtung der Partikel Die Streueigenschaften der Partikel bestimmen die Auswahl der Beleuchtung: - Größe des Messfeldes - Abstand Lichtschnitt- Kamera - Sensitivität des Aufnahmemediums Bestimmung Lichtquellenenergie - Zeitliche Auflösung des Strömungsfeldes - Leistung der Lichtquelle - Optische Eigenschaften der Lichtquelle (Strahlqualität etc.) Bestimmung der Lichtquelle

8 Beleuchtung der Partikel Beispiele für Lichtquellen: - Gepulste Lichtquellen: At Art Pulslänge lä Energie Wellenlänge lä Repetierrate t Ruby Laser 25 ns 1 10 J 699,3 nm 1/ minute Nd:YAG 20 ns mj 532 nm / sek Cu-Dampf 20 ns 20 mj 511/578 nm 1000 / sek Stroboskop DPSS LAser ca. 100 µs <300 ns ca. 10 J ~mj Breitband 523, 527, < 50 khz 532 nm - Kontinuierliche Lichtquellen: CW-Laser: Ar-Ion, 6 Watt

9 Beleuchtung der Partikel Beispiel Lichtschnittoptik:

10 Aufnahme des reflektierten Lichts Auswahl des Detektors: - Dynamischer Geschwindigkeitsbereich des Strömungsfelds - Dynamische räumliche Ausdehnung des Strömungsfelds - Streulichtintensität Bestimmung des Detektors - Zeitliche Auflösung des Strömungsfeldes - Transfergeschwindigkeit Kamera Speicher Bestimmung des Kameratyps (framing rate)

11 Aufnahme des reflektierten Lichts Standard CCD-Kamera (Zeit zwischen 2 Aufnahmen ca. 1s) t Belichtung Auslesen Frame rate Kontinuierl. Licht - Single frame mit einfacher Belichtung Frame rate Laserpulse - Single frame mit doppelter Belichtung

12 Aufnahme des reflektierten Lichts Full-frame interline transfer CCD (Zeit zwischen 2 Aufnahmen ca. 1µs) Auslesen Spannungsverschiebungsdauer Frame rate Laserpulse - Double frame mit doppelter Belichtung

13 Bestimmung der Geschwindigkeitsrichtung e c tu g Tracking method - Farbcodierung der einzelnen Aufnahmen - Pulslänge Single frame - 2 Lichtpulse, rotierender Spiegel - 2 Lichtpulse, unterschiedlicher Polarisation unterschiedliche Streulichtstärke Multi frame, einfache Belichtung: Jedem Lichtpuls ist ein Frame zugeordnet (bevorzugte Variante)

14 Bild 1: t = t0 Bestimmung der Partikelverschiebung Bild 2: t = t 0 + Δ t Einteilung der Aufnahmen in Interrogation Windows

15 Bestimmung der Partikelverschiebung - Prinzip Interrogation window Verschie eberaster (z.b. Pixel von CCD D) 2 0 Kreuzkorrelation: R ( x, y) I( i, j) I'( i + x, j y) = II + i j

16 Bestimmung der Partikelverschiebung - Realisierung FFT (real to complex) k 2 k 2 k k 1 1 k 2 k 1 ˆ R II ( i, j) = Iˆ ˆ 1( i, j) I 2( i, j)

17 Bestimmung der Partikelverschiebung y x FFT (complex to real) u = Δx Δt Δx x Kreuzkorrelationsebene Geschwindigkeitsvektor it kt

18 Probleme Out-of-plane Bewegung Partikel z.b. im ersten Bild existent, verschwindet aber aufgrund der Bewegung senkrecht zur Lichtschnittebene und ist im 2. Bild nicht mehr vorhanden Geeignete Beladung mit Streulichtpartikeln (man erkennt nicht on-line wie bei LDA, ob gewählte Parameter geeignet sind) Resultat hängt von digitaler Bild- Nachbearbeitung ab

19 Aerosol seeding Beleuchtung mit DPSS Laser bei 10kHz Rohdaten

20 Post-Processing Weiterverarbeitung der Rohdaten: Strömungsfeld: 2d Wall shear flow - Validierung der Rohdaten - Fehlerbehaftete Daten ersetzen - Daten Reduktion - Analyse der Information - Präsentation der Information

21 Post-Processing Typische Merkmale fehlerhafter Geschwindigkeitsvektoren: - Wert und Richtung weichen stark von den umgebenden Vektoren ab - Treten meistens in Randgebieten auf Es sind meistens einzelne Vektoren - Es sind meistens einzelne Vektoren Median test: Vergleich jedes Vektors mit seiner Umgebung; Vektor ist gültig wenn U ( median) U ( i, j) < ε ansonsten wird thresh U ( i, j) ) durch U (median) ersetzt

22 Post-Processing Beispiel: Strömungsfeld stromab eines runden Staukörpers Wirbelstärke 1 v u ωz = 2 x y Messgrößen: Geschwindigkeitsfeld, Wirbelstärke und Dilatation Messgrößen nicht über LDA zugänglich PIV komplementäre Methode zu LDA Superposition

23 Gradienten behaftete Größen Messtechnischer Zugang zu folgendem Tensor w v z z w II z v II r w v r r Wirbelstärke normal zur Messebene 1 w v ωx = 2 r z 2D-Streckung Dilatation S 2D 2 2 w v = + z r w v ( V ) 2D = + z r

24 Beispiel: Gegenstromkonfiguration

25 3C-Stereo PIV Pi i i St PIV A fb B ti ll 3 Prinzip eines Stereo-PIV Aufbaus zur Bestimmung aller 3 Geschwindigkeitskomponenten (Scheimpfluganordnung)

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