FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik

1. FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik Dr.-Ing. Thomas Brämer Strömungsmessungen mit PIV Particle Image Velocimetry • Optischer Aufbau • Kalibrierung • Auswertung • Partikelzugabe • Lasersicherheit Strömungsmechanik, HdT Essen, 16./17.09.2007

2. Es war einmal........Wie alles begann !

3. Und diese Information erhalten Sie von PIV heute Aufnahme eines Strömungsfelds

4. Herkömmliche Messmethoden Single-point Messungen Abfahren des Messfeldes Zeitaufwendig Nur Turbulenzstatistiken Particle Image Velocimetry Ganzfeldmethode Schnell Momentanes Strömungsfeld Statistiken sind möglich Warum globale Messungen ? After: A.K. Prasad, Lect. Notes short-course on PIV, JMBC 1997 J. Westerweel, Delft, NL

5. Das intuitive PIV Prinzip

6. Das PIV Prinzip Voraussetzungen • Tracer Partikel folgen der Strömung • Tracer Partikel sind einigermaßen homogen verteilt • Gleichsinnige Verschiebung innerhalb einer Interrogation Area

7. Von den PIV Rohdaten zum Vektorplot Ein typisches Image kann 100 Vektoren zeigen • 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 Time

8. Geschwindigkeit aus der Partikelbewegung Niedrige Signaldichte NI << 1 Particle tracking velocimetry Höhere Signaldichte NI >> 1 Particle image velocimetry Daumenregel: NI ~ 5 - 10 J. Westerweel, Delft, NL

9. 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

10. Messgenauigkeit • Die Genauigkeit hängt von verschieden Parametern ab • In der CCD TechnologyN variiert typischer Weise zwischen 16 oder 128 • In der Praxis ist die Messgenauigkeit noch beeinflusst durch: • das Seeding/Dichte • Beleuchtungs- & Aufnahmeparameter • Analysemethode & Parameter

11. Lichtschnittversionen From: A.K. Prasad, Lecture notes short-course on PIV, JMBC 1997. J. Westerweel, Delft, NL

12. 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

13. Datenvalidierung • Typische Kriterien: • Intensität des Korrelationspeak • Breite des Korrekationspeak • Vektorlänge • Vergleich mit Nachbarvektoren • Optional: Dateninterpolation

14. Momentane Strömungsvektoren Momentane Strömungslinien Momentane Vorticity etc… Statistiken (U, urms, <uv> etc) Maskierungen Ergebnispräsentation

15. Neue Möglichkeiten mit dem Time Resolved PIV t=0 sec • Laser and Kameratechnologie • Anwendungsbeispiele 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

16. 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

17. T Dt Unabhängige Programmierung von dt und Wiederholfrequenz (n=1/T) . Q-switch open PIV Mode Betriebsart mit einem CW-gepumpten “Single Cavity” Laser • 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 Dt Energy in cavity Laser pulse

18. 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 Aufnahmeoptionen für den PIV Betrieb

19. 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

20. 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

21. 250 Hz visualisation with the laser in CW mode (50W) Strömung mit 45 Hz Stimulation • Vorticity based on 250 Hz PIV

22. Messungen hinter einem Zylinder

23. Messung bei 3.75 m/s, Re=5000

24. Vergleich mit phasengemittelten LDA Daten Brede et. Al. (2003)Time-resolved PIV investigation of the separated shear layer in the transitional cylinder wake, 5th Int. Symp. on PIV, Busan, Korea, September 22-24, 2003, Paper 3215

25. Messen von 3-dimensionalen Strömungen mit PIV • Optischer Aufbau • Kalibrierung • Auswertung • Partikelzugabe • Lasersicherheit

26. 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.

27. Gesamtaufbau eines 3D PIV Systems

28. 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

29. Die Aufnahme von Stereo PIV Images Scheimpflug Bedingung

30. Kamerakalibrierung

31. 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

32. Messungen bei Daimler-ChryslerZum PivNet Workshop Ergebniss: Mittelung über 100 Bilder 3. Komponente wird durch die Farbe dargestellt

33. Data base software Stereo Rekonstruktion 3-komponeneten Rekonstruktion Gemessene 2D Projektionen Linkes Vektor-bild Rechtes Vektor-bild

34. Fahrzeugmessungen im Originalmaßstab 1600 mm 540 mm Volkswagen AG

35. Vergleich zum Autofahren: • Straßenverkehrgesetz • Wie fahre ich mein Auto sicher und umsichtig Lasersicherheit • Dieser Vortrag ist keine Einführung in die Lasersicherheitsgesetze, etc. • Ein praktischer Ratgeber für jeden Betreiber, Kollegen, und die weitere Umwelt

36. “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

37. Lasersicherheit in der Praxis • Sicherheit in 4 Phasen • Persönliche Sicherheit • Umgebungssicherheit • Sicherheit während aufbau und Justierung • Sicherheit für Besucher und Kollegen