FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik

Messen von 3-dimensionalen Strömungen mit LDA und PIV

Raimund Schledde Strömungsmechanik, HdT Essen, 5./6.03.2007

Dipl.-Ing. Raimund Schledde

• Optischer Aufbau • Kalibrierung • Auswertung • Partikelzugabe • Lasersicherheit

Optischer Aufbau für 3D Messungen

• Das Messen von 3 Komponenten erfordert 3 Strahlenpaare- Zwei Paare von einer 2D Optik- Ein Paar von einer 1D Optik

• Beide Messvolumen werden zueinander justiert

• Die Geschwindigkeitskomponenten der 2D Sonde stehen senkrecht zueinander

• Die dritte Komponente wird softwareseitig zur Z-Achse umgerechnet

Messvolumenjustierung bei 3D Anordnung

• Die gemeinsame Justierung erfordert eine µm genaue Einstellung

• Lochblenden oder Linsenjustierung

• Feinjustierung mit CCD Chip

3D FlowLite kompakt LDA

• 2D + 1D Optiken• Verschiedene Optikköpfe• Sehr kompakt• 1-3D Konfiguration mit roten,

grünen, blauen oder IR- Lasern

LDA Standard Glasfaseroptik

Integrierte Miniatur 3D FiberFlow Sonde

3D LDA Konfigurationen, Luft

3D LDA Konfigurationen, Wasser

3D LDA Anwendungen

• Messen von Grenzschichtablösungen in Windkanälen• Turbulenzmischung bei Flammenuntersuchungen im Bereich Verbrennung• Grenzschicht-Interaktionen und Instabilitäten in Turbinen• Allg. Untersuchungen von Strömungsstrukturen und Instabilitäten in

Wärmetauschern• Konvektions- und Kühlungsvorgänge in Reaktoren• Vermessung von Schiffsmodellen im Schlepptank

5-Strahl and 6-Strahl FiberFlow Optiken

• F = 240 mm:• 5-Strahl: 6,50• 6 Strahl: 3,78

3

2

1

02sin2

12sin2

1

100

02cos2

12cos2

1

uuu

wvu

uu1

u 2

u3

v

w

5- oder 6-Strahl Optik?

• 3D Messungen durch kleine Fenster– Strömungsmaschinen– Turbinen– Pumpen– Wasserrinnen

• Luftströmung: 6-Strahloptik – Bessere Geschwindigkeitsauflösung

• Wasserströmung, Sonde in Luft: 5-Strahloptik – Bewahrung des Schnittvolumens bei Traversierung

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 Bedingung

Kamerakalibrierung

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.

Linkes und rechtes 2D VektorbildSimultane 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

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

Gesamtaufbau eines 3D PIV Systems

y z

xApplication P C

Laser

Encoder

Cam

era

shut

ter

Traverse controlTrigger

F low M apAcquisition &Control Unit

Contro l

Lasersicherheit • Dieser Vortrag ist keine Einführung in die Lasersicherheitsgesetze, etc. • Ein praktischer Ratgeber für jeden Betreiber, Kollegen, und die weitere

Umwelt

Vergleich zum Autofahren:• Straßenverkehrsgesetz• Wie fahre ich mein Auto sicher

und umsichtig

Allgemeine “Verkehrsregeln”

• 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 des Aufbaus und der Justierung– Sicherheit für Besucher und Kollegen

Persönliche Sicherheit• Entferne Armbanduhren und Juwelen VOR Beginn !• Mache dich mit dem Notaus oder anderen Sicherheitseinrichtungen vertraut• Sei besonders vorsichtig wenn normale Brillen getragen werden• Arbeite niemals mit Lasern bei Überanstrengung • Benutze die richtigen Schutzbrillen

Verhalten

• Sei dir immer bewußt wo Laserlicht ist und evtl. Reflektionen• Benutze die Kenntnis und arbeite mit dem Rücken zum Licht ! (auch wenn

der Laser AUS ist !)

Ein paar Beispiele von ”Do not”• Verschließe NIEMALS die Tür – es ist gefährlich (und evtl. verboten –

Feuerschutz)• Lasse NIEMALS einen eingeschalteten Laser allein im Raum – Es ist gefährlich

für andere Personen ( man macht das auch nicht mit dem Auto)• Keine Kompromisse bei unsichtbarem Licht

Unsichtbares Licht erfordert 100% Aufmerksamkeit, z.B.: – 100% sichere Abschirmung – 100% sichere Schutzbrillen