TU Berlin

AerodynamikParticle Image Velocimetry (PIV)

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Optische Verfahren

Particle Image Velocimetry (PIV)

Schema eines Standard-PIV-Aufbaus
Lupe

Mit PIV kann ein betrachtetes Strömungsfeld zum Meßzeitpunkt in einer Ebene erfaßt und dargestellt werden. Zur Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes in der betrachteten Strömung werden Tracerpartikel eingebracht. Durch zwei Lichtpulse werden die Tracer belichtet und das Streulicht auf einem fotografischen Film oder mit einer ladungsgekoppelten (CCD-Charge Coupled Device) Speichermatrix aufgenommen. Die digitalisierte Aufnahme wird mit Bildbearbeitungsprogrammen weiterverarbeitet, um die Geschwindigkeitsinformationen zu erhalten.
Insbesondere für die Untersuchung instationärer Strömungen ist es wichtig, an möglichst vielen Stellen in der Strömung Informationen zu ein und demselben Zeitpunkt zu erhalten. Die hohe räumliche Auflösung bei der PIV hängt im wesentlichen von der Bildauflösung des Aufnahmemediums (CCD oder Film) und der Partikeldichte in der Strömung ab. Dem auflösbaren Geschwindigkeitsbereich sind bis zu supersonischen Geschwindigkeiten kaum Grenzen gesetzt, vorausgesetzt es können entsprechend kurze Laserpulse und kleine Kamerabildabstände erzeugt werden. Daneben ist es mit PIV auch möglich, durch die Betrachtung des Strömungsfeldes aus unterschiedlichen Blickwinkeln mit zwei Kameras (Stereo- / 3C-PIV) die dritte Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Messebene (Out-Of-Plane Komponente)  senkrecht zur erfassen.

Geschwindigkeitsfeld im hinteren Bereich einer Statorschaufel mit abgelöster Strömung
Lupe

Das Fachgebiet Aerodynamik verfügt über zwei PIV-Systeme, die sich in ihrer Aufnahmerate unterscheiden. Das konventionelle Stereo-PIV-System besteht aus einem frequenzverdoppelten Double-Cavity Nd:YAG Laser (532nm), zwei gekühlten CCD-Kamera mit SVGA-Auflösung (1280 x 1024 Pixel) und einer softwaregesteuerten Synchronisiereinheit. Die Aufnahmerate dieses PIV-Systems liegt bei max. 5-10 Aufnahmen pro Sekunde und es lassen sich sowohl niedrige Geschwindigkeiten großflächig mit hoher räumlicher Auflösung als auch trans- und supersonische Geschwindigkeiten mit mittlerer Auflösung untersuchen.
Mit dem zweite PIV-System ist es möglich, Strömungsvorgänge zeitlich hoch aufgelöst zu erfassen. Das Time-Resolved (TR-) oder High-Speed Stereo-PIV System besteht aus einem frequenzverdoppelten Double-Cavity Nd:YLF Laser (527nm), zwei High-Speed Kameras mit einer Auflösung von 1024 x 1024 Pixel und einer softwaregesteuerten Synchronisiereinheit, sowie einem leistungsstarken Auswerterechner. Mit voller Auflösung der Kamera kann eine Wiederholungsrate von 1500Hz erreicht werden, die mit reduzierter Auflösung der Kamera bis zu 10kHz gesteigert werden kann. Das Messsystem ermöglicht somit die Beobachtung instationärer Strömungsvorgänge und z.B. die räumlich-zeitlichen Reaktion der Strömung auf Störungen oder gezielte Anregung.

In der Animation ist eine zeitaufgelöste PIV-Messung im Nachlauf eines stumpfen Körpers dargestellt. Die zeitliche Auflösung des Geschwindigkeitsfeldes liegt bei 1000Hz und ist in 100facher Zeitlupe dargestellt.

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. W. Nitsche
Dipl.-Ing. Henning Kroll

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