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FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik
Strömungsmessungen mit PIV Particle Image Velocimetry
Strömungsmechanik, HdT Essen, 16./17.09.2007
Dr.-Ing. Thomas Brämer
• Optischer Aufbau • Kalibrierung • Auswertung • Partikelzugabe • Lasersicherheit
Es war einmal........Wie alles begann !
Und diese Information erhalten Sie von Und diese Information erhalten Sie von PIV heutePIV heute
Aufnahme eines StrömungsfeldsAufnahme eines Strömungsfelds
Warum globale Messungen ?
Herkömmliche Messmethoden• Single-point Messungen• Abfahren des Messfeldes• Zeitaufwendig• Nur Turbulenzstatistiken
Particle Image Velocimetry
• Ganzfeldmethode
• Schnell
• Momentanes Strömungsfeld
• Statistiken sind möglich
z
After: A.K. Prasad, Lect. Notes short-course on PIV, JMBC 1997
J. Westerweel, Delft, NL
Das intuitive PIV Prinzip
Das PIV Prinzip
• Tracer Partikel folgen der Strömung• Tracer Partikel sind einigermaßen homogen verteilt• Gleichsinnige Verschiebung innerhalb einer Interrogation
Area
Voraussetzungen
Von den PIV Rohdaten zum Vektorplot Ti
me
Tim
e• Ein Image wird in Kleinbilder
unterteilt, diese nennt man Interrogation Areas
• Die beste Korrelation als Funktion der Verschiebung wird berechnet
• Die Korrelation liefert Ergebnisse über die Verschiebung und Richtung. Die Zeit ist bekannt.
• Der Strömungsvektor wird errechnet
Ein typisches Ein typisches Image kann 100 Image kann 100 Vektoren zeigenVektoren zeigen
NI << 1
NI >> 1
Particle tracking velocimetry
Particle image velocimetry
Daumenregel: NI ~ 5 - 10
Niedrige Signaldichte
Höhere Signaldichte
Geschwindigkeit aus der Partikelbewegung
J. Westerweel, Delft, NL
Von der Kreuzkorrelation zur Geschwindigkeit
• Im Prinzip ist die Interrogation Area das Messvolumen
• Eine typische Größe ist z.B. 32 x 32 Pixel bei 1024 x 1024 Pixel mit25% Überlappung ergibt dies 42 x 42 Vektoren
• Datenvalidierung und Verarbeitung erfolgt nach der Aufnahme
Messgenauigkeit
• Die Genauigkeit hängt von verschieden Parametern ab
• In der CCD Technology
N variiert typischer Weise zwischen 16 oder 128
• In der Praxis ist die Messgenauigkeit noch beeinflusst durch:
– das Seeding/Dichte
– Beleuchtungs- & Aufnahmeparameter
– Analysemethode & Parameter
NLdpixel
int
Lichtschnittversionen
From: A.K. Prasad, Lecture notes short-course on PIV, JMBC 1997.
J. Westerweel, Delft, NL
Lichtquellen
Quelle Energie Zeitverz. Frequenz
Weisses Licht 10-1000 W - -
Stroboskop 0.1 J - 500 Hz
Cw Ar+ Laser ~ 1 mJ > 1 ms 10-102 Hz
Rubin Laser 1-10 J 1 µs 0.03 Hz
Kupferdampf Laser ~ 10 mJ 100 µs 5-10 kHz
Twin Nd:YAG Laser ~ 200 mJ 0-30 ms 10-30 Hz
CW-diodengepumpt 10 bis 50W 10Hz-50kHz
Datenvalidierung
• Typische Kriterien:
– Intensität des Korrelationspeak
– Breite des Korrekationspeak
– Vektorlänge
– Vergleich mit Nachbarvektoren
– Optional: Dateninterpolation
Ergebnispräsentation
• Momentane Strömungsvektoren
• Momentane Strömungslinien
• Momentane Vorticity
• etc…
• Statistiken (U, urms, <uv> etc)
• Maskierungen
t=0 sec
t=0.0005 sec
t=0.0010 sec
t=0.0015 sec
t=0.0020 sec
t=2.0000 sec or 4000 PIV frames or 1GB of images
Neue Möglichkeiten mit dem Time Resolved PIV
• Laser and Kameratechnologie
• Anwendungsbeispiele
Laser für TR-PIV• Laser basierend auf “single cavity” Prinzip
– Typisch 10 Hz - 50kHz oder höher
– 10 to 50 W (50 W ~ 12½ mJ Dopplepulse bei 2kHz)
• CW diodengepumpte Laser mit Q-Switch
• Nd:YAG oder Nd:YLF Prinzip
• Double cavity lasers für höhere Geschwindigkeiten, z.B. NW Pegasus
PIV Mode Betriebsart mit einem CW-gepumpten “Single Cavity” Laser
Tt
Unabhängige Programmierung von dt und Wiederholfrequenz (n=1/T) .
En
erg
y in
cav
ity
Las
er p
uls
e
t
Q-switch open
• Der Laser wird kontinuierlich mit kohärentem Licht stimuliert
• Solange keine Energie entnommen wird, baut sich die Resonatorenergie kontinuierlich auf.
• Wird das Lichtentnahme über den Q-Switch aktiviert, entleert sich die Cavity
Aufnahmeoptionen für den PIV Betrieb
Einzelpuls-Betriebsart
• Bildwiederholungsrate. = dt
• Pulsenergie fällt auf ca. 1/n
Laser im Doppelpulsbetrieb
• Unabhängig von dtdt < Bildwiederholungsrate
• In der Praxis ist die Pulsenergie unabhängigbis ~2kHz
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50
Repetion Rate (kHz)P
uls
e E
nerg
y (m
J)
Time Resolved CMOS Kameras• CMOS Technologie• Datenraten
– 600-2000 Mbyte/sec– bis zu 30kHz frame rates– Auflösung bis zu 11 MPixel
• Messdaten werden von einem entsprechenden Speicher (RAM) in der Kamera ins PC Interface geschrieben– Typische Datenmengen 6-20 GB (~10
sec.)• Pixel pitch: 12µm und mehr
Air / 1.5µm Rauchpartikel -#F2.8
Wasserstrahl
• Ø25 mm Wasserstrahl, U=0.7 m/s
• 500 Hz Bildaufnahmefrequenz mit 1024x1024 Pixeln
• “Field of view” 85x85 mm
• 250Hz PIV Ergebnis
Transport of eddies in shear layer easily observed
Strömung mit 45 Hz Stimulation
• 250 Hz visualisation with the laser in CW mode (50W)
• Vorticity based on 250 Hz PIV
Messungen hinter einem Zylinder
Messung bei 3.75 m/s, Re=5000
Vergleich mit phasengemittelten LDA Daten
Brede et. Al. (2003)Time-resolved PIV investigation of the separated shear layer inthe transitional cylinder wake, 5th Int. Symp. on PIV, Busan, Korea, September 22-24, 2003, Paper 3215
Messen von 3-dimensionalen Strömungen mit PIV
• Optischer Aufbau • Kalibrierung • Auswertung • Partikelzugabe • Lasersicherheit
Komponenten eines 3D-PIV Systems
• Seeding
• PIV-Laser(Double-cavity Nd:Yag)
• Lichtführungsarm &Lichtschnittoptik
• 2 Kameras und Scheimpflugmontage
• PIV- Datenerfassungs und Speichersystem
• Kalibriertarget
• 3D PIV Software incl. Zusatzoptionen, Traversierung,Analogeingang, etc.
Gesamtaufbau eines 3D PIV Systems
y z
xApplication P C
Laser
Encoder
Ca
me
ras
hu
tte
rTraverse control
Trigger
F low M apAcquisition &Control Unit
Contro l
Grundlagen der Stereobetrachtung
Die wahre 3D Verschiebung (X,Y,Z) wird aus dem Ergebnis zweier 2D Verschiebungen (x,y) ermittelt, wie sie von der linken und rechten Kamera geliefert werden
45° 45°
Truedisplacement
Displacementseen from left
Displacementseen from right
Focal plane =Centre oflight sheet
Leftcamera
Rightcamera
Die Aufnahme von Stereo PIV Images
Scheimpflu
g Bedin
gung
Kamerakalibrierung
Linkes und rechtes 2D Vektorbild
Simultane Aufnahme der Kamerabilder links und rechts
Herkömmliches PIV Verarbeitungsverfahren der 2D Vektorbilder. Darstellung des Strömungsfeldes wie es von rechts und links gesehen wird.
Beide Vektorbilder werden punktweise “resampled”, entsprechend der Interrogation Area.
Verbinden der links/rechts Ergebnisse, zur 3D Darstellung
Messungen bei Daimler-Chrysler Zum PivNet Workshop
Ergebniss: Mittelung über 100 Bilder
3. Komponente wird durch die Farbe dargestellt
Stereo Rekonstruktion
Data base software
Gemessene 2D Projektionen 3-komponeneten Rekonstruktion
Linkes Vektor-bild
Rechtes Vektor-bild
Fahrzeugmessungen im Originalmaßstab54
0 m
m1600 mm
Volkswagen AG
Lasersicherheit • Dieser Vortrag ist keine Einführung in die Lasersicherheitsgesetze, etc.
• Ein praktischer Ratgeber für jeden Betreiber, Kollegen, und die weitere Umwelt
Vergleich zum Autofahren:
• Straßenverkehrgesetz
• Wie fahre ich mein Auto sicher und umsichtig
“Verkehrsregeln” von Dantec Dynamics
• Schaue niemals direkt in einen Laserstrahl
• Entferne reflektierende Objekte aus dem Arbeitsbereich (Spiegel, verchromte Teile, Uhren, Ringe, etc.)
• Werkzeuge und Arbeitsflächen sollten schwarz mattiert sein
• Laserschutzbrillen wenn immer möglich besonders bei unsichtbaren Lasern
• Schalte das Laserlicht aus wenn nicht gemessen wird
Lasersicherheit in der Praxis
• Sicherheit in 4 Phasen
– Persönliche Sicherheit
– Umgebungssicherheit
– Sicherheit während aufbau und Justierung
– Sicherheit für Besucher und Kollegen
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