PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY. Prinzipieller experimenteller Aufbau (aus einem Prospekt der Fa. La Vision)

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1 PARTICLE IMAGE VELOCIMETRY Prinzipieller experimenteller Aufbau (aus einem Prospekt der Fa. La Vision) Die Lichtquelle in diesem Falle ein Doppelpuls Neodym:Yag Laser erzeugt zwei sehr starken und sehr kurzen Lichtblitze, deren Zeitabstand t einstellbar ist. Durch die Optik wird aus dem runden Strahl des Lasers ein dünnes Lichtband (light sheet) erzeugt. Dieses Lichtband definiert dann die zu untersuchende Ebene in der Strömung. Durch eine Verschiebung (scanning) des Lichtbandes kann dann das ganze Strömungsgebiet untersucht werden. Die Strömung ist mit Tracerpartikel versetzt. Bei diesem Aufbau empfängt die Kamera das Streulicht der Partikel unter 90, was von der Intensität des Streulichtes her der ungünstigste Fall ist, deshalb benötigt man einen sehr starken Laser. Die Kamera muss in der Lage sein zwei Bilder, die durch die zwei Lichtblitze entstehen aufzunehmen und an einem Auswerterechner weiterzuleiten. In der Zeit t zwischen den Bilder werden die Teilchen von der Strömung eine kleine Strecke s=( x, y) bewegt, hierbei sind x und y Koordinaten in der Bildebene.

2 Für die Auswertung werden die Bilder in kleine Interrogationsfenster unterteilt, typische Größe 32x32, 64x64 Bildpunkte. Jeweils die zugehörigen Fenster werden miteinander korreliert. Aus der Position des Maximum der 2- dimensionalen Kreuzkorrelation erhält man für dieses Fenster die Verschiebungen s=( x, y) Zusammen mit dem bekannten zeitlichen Bildabstand t kann man dann den Geschwindigkeitsvektor v= s/ t für dieses Fenster berechnen. Prinzipielle Vorgehensweise bei der Auswertung von PIV (aus einem Prospekt der Fa. La Vision) Im Falle von Strömungen mikroskopisch kleiner Abmessungen, kann man den sehr starken Laser für die Definition der Messebene umgehen, in dem man den sehr kleinen Tiefenschärfebereich eines Mikroskopobjektivs ausnutzt. Hier kann man im Durchlicht arbeiten, d.h. im Wesentlichen geht alles Licht aus der Lichtquelle durch die Strömung und erreicht die Kamera. Das Licht einer kleinen Licht Emittierenden Diode LED ist in diesem Falle vollkommen ausreichend. Die Kosten für die Lichtquelle sind um drei Zehner Potenzen geringer. Im Folgenden ein Beispiel einer solchen Mikro-PIV Anwendung. Es handelt sich um eine Luftblase, die in Öl aufsteigt.

3 Aufnahmen mit Tracer im Zeitabstand von t=2s Der Bildausschnitt beträgt 1,5 mm Auf der Bildüberlagerung kann man die Bewegung der Blase sehen, man erkennt aber nicht die Tracerbewegung Für die Darstellung kann man die Bilder so bearbeiten, dass die Tracer besser hervorgehoben sind. In diesem Fall die Teilung von jedem Bildpixel durch den entsprechenden Bildpixel in dem stark geglätteten Bild:

4 original Bild : = geglättetes Bild Normiertes Bild Analog verfährt man für das zweite Bild

5 Im folgenden Differenzbild der normierten Bilder sieht man die Tracerbewegung: man sieht immer Partikelpaare. Die Auswertung über Kreuzkorrelation einzelner Fenster liefert obiges Bild der Strömung.

6 Vorteile und Nachteile von PIV Vorteile: Es liefert ein zweidimensionales Geschwindigkeitsfeld. Strömungsstrukturen sind deshalb erkennbar. Man kann relativ schnell (im Vergleich zu LDV) ein Strömungsfeld ausmessen, (Scanning PIV). Nachteile: Wie LDV benötigt es Tracer und den optischen Zugang zur Strömung. Hier sind die Anforderungen an die Tracerbesamung höher als bei LDV. Optimal sind ca. 5 Tracer Paare im Interogationsfenster. Tracerbewegung aus der Lichtschnittebene liefert schlechte Ergebnisse. Mit kostenintensive Varianten können alle Geschwindigkeitskomponenten gemessen werden. Die Auswertung kann je nach Korrelationsalgorithmus lange dauern. Die zeitliche Auflösung ist durch die Geschwindigkeit begrenzt mit der die Doppelbilder aufgenommen und gespeichert werden können, zur Zeit ca. 400 Bildpaare pro Sekunde. Kosten: Doppelpuls Laser: keu Doppelbild Kamera 15 keu Auswertungssoftware 20 keu Rechner 5 keu