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