PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY (Geschwindigkeitsmessung durch Teilchenverfolgung)

Transkript

1 PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY (Geschwindigkeitsmessung durch Teilchenverfolgung) Hier werden zwei Bilder eines Strömungsgebietes mit Tracer-Partikel aus zwei senkrecht zu einander stehenden Richtungen gleichzeitig aufgenommen. In kurzen Zeitabständen wird dieses wiederholt. Aus den Bildern werden die Positionen der Tracer im Raum extrahiert und in ihrer Bahn verfolgt. Hinter einem Turbulenzgitter mit Hilfe der Particle-Tracking- Velocimetry gewonnene Bahnlinien. Das dargestellte Volumen beträgt 20 x 16 x 5 cm 3 (Malik, Dracos, Papantoniou 1993)

2 STREUUNG VON LICHT AN KLEINEN TEILCHEN Polardiagramm der Streuintensität eines Teilchens mit einem Radius von r P = 0,5 µm und ein Brechungsindex n = 1,33. Wie man an obiger Abbildung sieht, streut ein Teilchen das einfallende Licht (in Richtung 0 ) vorwiegend in vorwärts Richtung. Unter 90 ist die Streuintensität um ein Faktor 100 kleiner. ~d^2 log( Streuintensität ) Rayleigh Bereich ~d^6 Übergang Bereich der geometrischen Optik (Fraunhofer Streuung) log( Teichendurchmesser d ) Die Streuintensität hängt aber auch stark von der Teilchengröße (im Verhältnis zur Lichtwellenlänge) ab.

3 LASER DOPPLER VELOCIMETRY Prinzip: Das empfangene und gesendete Licht von kleinen Tracerpartikel wird durch den Dopplereffekt Frequenz verschoben. Diese Verschiebung hängt u. a. von der Geschwindigkeit der Partikel und der Lichtgeschwindigkeit ab und ist deshalb sehr klein, aber durch Mischung des Streulichtes von zwei Laserstrahlen kann man am Detektor die Differenz f der jeweiligen Frequenzverschiebungen empfangen. Diese Differenzfrequenz liegt im Megaherz Bereich und ist direkt proportional zur Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur optischen Achse der gekreutzten Laserstrahlen. Aufbau:

4 Anschauliche Vorstellung: Die gekreutzten Laserstrahlen erzeugen ein Interferenzmuster mit dem Abstand x. Ein Teilchen mit der Geschwindigkeit u liefert dann eine Frequenz f=u/ x. Die Signale am Detektor sehen im wesentlichen so aus. Diese Signalform nennt man Burst.

5 In Abhängigkeit von der Große und Anzahl der Tracerpartikel gibt es unterschiedliche Bursts. Im Prinzip ist eine Messung bei mehreren Tracer im Meßvolumen möglich, aber ab 3 oder mehr sind die Bursts nicht mehr eindeutig. Dies legt die maximale Tracerkonzentration und in Folge auch die maximale Datenrate fest.

6 VORTEILE UND NACHTEILE VON LDV Vorteile: berührungslos. schnelle Messungen möglich. alle Geschwindigkeitskomponenten prinzipiell meßbar. Nachteile: Tracerpartikel sind notwendig. Die Partikel müssen aber so klein sein, daß sie der Strömung folgen können, in Luft d p < 1 µm, in Wasser d p < 50 µm. In vielen Fällen ist aber im Strömungsmedium so viel Dreck (Staub), daß eine zusätzliche Besamung entfällt. In Grenzschichten gibt es deshalb Probleme, weil die Tracer aus diesen Schichten durch Strömungskräfte verdrängt werden. Ein optischer Zugang zur Strömung muß vorhanden sein. Dies schließt sowohl Fenster aber auch ein transparentes Strömungsmedium ein. LDV ist ein punktuelles Meßverfahren, d.h. eine Verschiebeeinrichtung in allen drei Raumrichtungen ist notwendig um ein Strömungsfeld vermessen zu können. Die Vermessung größerer Strömungsfelder mit hoher räumlicher Auflösung ist dann sehr langwierig. Während der Messung darf sich die mittlere Strömung nicht ändern! LDV kann nur zeitliche Änderungen der Strömung an einem Punkt erfassen wenn die Datenrate f dat, d. h. die Anzahl detektierten Tracer pro Zeiteinheit viel größer ist als die maximale Frequenz der zeitlichen Strömungsschwankungen f max, f dat > 10 f max, denn die Bursts in der Zeit sind zufällig verteilt. Eine Unterscheidung zwischen turbulenten Schwankungen und instationäre Strömungsvorgängen ist nur bei langen Zeitreihen möglich. Es ist sehr schwierig mit LDV räumliche Strömungsstrukturen zu erkennen. Hierfür sind 2-dimensionale Meßmethoden besser geeignet. Die Kosten einer LDV Anlage bewegen sich in der Größenordnung von 100 keu!