Particle Image Velocimetry (PIV)

Eine optische Methode zur Messung von Geschwindigkeitsfeldern

Prinzip des PIV-Verfahrens
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Die Particle Image Velocimetry erlaubt eine nichtinvasive Bestimmung momentaner Geschwindigkeitsvektorfelder in einer Ebene einer Strömung. Je nach verwendetem System ist eine Bestimmung aller drei Geschwindigkeitskomponenten möglich. Neuere Entwicklungen im Bereich der Kamera- und Lasertechnik erlauben bereits eine zeitliche Auflösung der Messung der Geschwindigkeitsfelder im unteren Kilohertz-Bereich (~ 4kHz).

Das Prinzip der PIV-Messtechnik beruht dabei auf der physikalischen Definition der Geschwindigkeit als Quotient von Differenzen: Der Versatz von vielen Streupartikeln, die der Strömung schlupffrei folgen, kann mit einer geeigneten CCD- oder CMOS-Kamera aufgenommen werden, indem eine Ebene in der Strömung mit zwei sehr kurzen Lichtpulsen (Dauer wenige Nanosekunden) in einem Abstand von wenigen Mikrosekunden beleuchtet wird. Die Partikelensemble werden zu den Zeitpunkten t und t’ auf zwei getrennten Bildern des Kamerasensors aufgenommen.

 Stereoskopischer PIV-Aufbau
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Dies erlaubt es, die Kreuzkorrelation der zwei Partikelbildverteilungen in kleinen Abfragefenstern und damit die lokalen Versatzvektoren an vielen Stellen des Beobachtungsgebietes zu berechnen.  Mit dem Bildvergrößerungsfaktor und der Zeitdifferenz zwischen den beiden Lichtpulsen können typischerweise mehr als 10.000 momentane Geschwindigkeitsvektoren aus einem Doppelbild der Streupartikel bestimmt werden. Erweitert man das PIV System zu einer Stereo-Kamera-Anordnung, ist es möglich, alle drei Komponenten der Geschwindigkeit in der Ebene zu bestimmen.

Aktuell wird PIV sowohl in Mikroströmungen als auch in Ebenen über 3 m² und mit Geschwindigkeiten von wenigen mm/sec bis zu einem km/sec verwendet. Das DLR verwendet die PIV-Technik seit über 10 Jahren erfolgreich in industriellen Windkanälen und verschiedenen Anwendungen der Strömungsmechanik.

Die aktuelle Forschung in der Strömungsmechanik und Aerodynamik widmet sich zunehmend Problemen von instationären und abgelösten Strömungen. Für Untersuchungen von Strömungsfeldern mit schnellen zeitlichen und/oder räumlichen Änderungen (Transition von laminarer zu turbulenter Strömung, kohärente Strukturen, oszillierende Profile in transonischer Strömung mit Stößen, Windkanäle mit kurzen Messzeiten, etc.) werden neue experimentelle Meßmethoden wie PIV benötigt, die es erlauben, die Geschwindigkeit der Strömung an vielen Punkten einer großen Ebene gleichzeitig zu erfassen.

Mit PIV können erstmalig geeignete experimentelle Strömungsfelddaten für den direkten Vergleich mit numerischen Berechnungen und die Validierung der angewendeten Algorithmen bereitgestellt werden. Während der letzten Jahre hat eine wachsende Anzahl von Wissenschaftlern begonnen, PIV für die Untersuchung instationärer Strömungen in verschiedenen Bereichen der Strömungsmechanik zu nutzen.

Siehe auch: Tomographic Particle Image Velocimetry (Tomo-PIV)

Anwendungen

Mobiles PIV-Messsystem

Teilnahme an Projekten

 

 


Kontakt
Dr.rer.nat. Andreas Schröder
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Experimentelle Verfahren
Tel: +49 551 709-2190

Fax: +49 551 709-2830

E-Mail: Andreas.Schroeder@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-183/251_read-12796/