Transcript HDT Vortrag_PIV - Fachhochschule Düsseldorf

FH D
Fachhochschule Düsseldorf
Maschinenbau 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
Es war einmal........
Wie alles begann !
Und diese Information erhalten Sie von
PIV heute
Aufnahme 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
Voraussetzungen
•
•
•
Tracer Partikel folgen der Strömung
Tracer Partikel sind einigermaßen homogen verteilt
Gleichsinnige Verschiebung innerhalb einer Interrogation
Area
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
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
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 mit
25% 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
N variiert typischer Weise zwischen
16 oder 128
In der Praxis ist die
Messgenauigkeit noch beeinflusst
durch:
– das Seeding/Dichte
– Beleuchtungs- &
Aufnahmeparameter
– Analysemethode & Parameter
Lint
dpixel
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
Cw Ar+ Laser
Rubin Laser
Kupferdampf Laser
Twin Nd:YAG Laser
CW-diodengepumpt
0.1 J
~ 1 mJ
1-10 J
~ 10 mJ 100 µs
~ 200 mJ
10 bis 50W
> 1 ms
1 µs
500 Hz
10-102 Hz
0.03 Hz
5-10 kHz
10-30 Hz
10Hz-50kHz
0-30 ms
Datenvalidierung
•
Typische Kriterien:
– Intensität des Korrelationspeak
– Breite des Korrekationspeak
– Vektorlänge
– Vergleich mit Nachbarvektoren
– Optional: Dateninterpolation
Ergebnispräsentation
•
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•
•
•
•
Momentane
Strömungsvektoren
Momentane
Strömungslinien
Momentane Vorticity
etc…
Statistiken (U, urms, <uv>
etc)
Maskierungen
Neue Möglichkeiten mit dem
Time Resolved PIV
•
•
Laser and Kameratechnologie
Anwendungsbeispiele
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
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
Energy in cavity
PIV Mode Betriebsart mit einem
CW-gepumpten “Single Cavity” Laser
Dt
• Der Laser wird kontinuierlich mit
kohärentem Licht stimuliert
• Solange keine Energie entnommen wird,
baut sich die Resonatorenergie
kontinuierlich auf.
• Wird das Lichtentnahme über den QSwitch aktiviert, entleert sich die Cavity
Laser pulse
Q-switch open
T
Dt
Unabhängige Programmierung
von dt und Wiederholfrequenz
(n=1/T) .
Aufnahmeoptionen für den PIV Betrieb
Laser im Doppelpulsbetrieb
• Unabhängig von dt
dt < Bildwiederholungsrate
• In der Praxis ist die
Pulsenergie unabhängig
bis ~2kHz
25
P u lse E n e r g y ( m J)
Einzelpuls-Betriebsart
• Bildwiederholungsrate.
= dt
• Pulsenergie fällt auf
ca. 1/n
20
15
10
5
0
0
10
20
30
R e p e tio n R a te (k H z )
40
50
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
•
Vorticity based on 250 Hz PIV
•
250 Hz visualisation with the laser
in CW mode (50W)
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 in
the 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
C o n tro l
C a m e ra
s hu tte r
L as e r
y
F lo w M ap
A cq u isitio n &
C o ntro l U n it
z
A p p lic a tio n P C
x
En cod er
Tra v e rs e c o n tro l
Trig g e r
Grundlagen der Stereobetrachtung
D is p la c e m e n t
s e e n fro m le ft
T ru e
d is p la c e m e n t
D is p la c e m e n t
s e e n fro m rig h t
F o c a l p la n e =
C e n tre o f
lig h t s h e e t
45°
L e ft
c a m e ra
45°
R ig h t
c a m e ra
Die wahre 3D Verschiebung (DX,DY,DZ) wird aus dem Ergebnis zweier 2D
Verschiebungen (Dx,Dy) ermittelt, wie sie von der linken und rechten
Kamera geliefert werden
Die Aufnahme von Stereo PIV Images
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
Data base software
Stereo Rekonstruktion
Gemessene 2D Projektionen
Linkes
Vektorbild
Rechtes
Vektorbild
3-komponeneten Rekonstruktion
Fahrzeugmessungen im Originalmaßstab
540 mm
1600 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