Particle Image Velocimetry (PIV)

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.

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)

Anwendungsgebiete

  • Quantitative Strömungsvisualisierung in Windkanälen

  • Ermittlung statistisch relevanter Mengen von momentanen 2C- /3C-Geschwindigkeitsvektorfeldern und zugehöriger Reynoldscher Schubspannungen in Strömungen der Forschungsbereiche

    • Luftfahrt
    • Verkehr
    • Antriebstechnik
    • Energie
  • Messung instationärer Effekte wie Strömungsablösung, wirbelbehaftete Nachläufe oder Scher- und Grenzschichten
  • Hochauftriebsströmungen
  • Propellerströmungen
  • Transsonische Strömungen
  • Grenzschichtströmungen
GA-PIV_Steckbrief-Bild1-LS_modell
LS-Modell im Windkanal
GA-PIV_Steckbrief-Bild2-pro_bw
Strömungsvisualisierung eines Propellers

Allgemeine Daten zur Großanlage

  • Standort DLR Göttingen, Haus 6
  • Eröffnung 2004
  • Verfahren: Particle Image Velocimetry  (PIV), optisches Verfahren zur berührungslosen Messung von 2C- oder 3C- (Stereo PIV) Geschwindigkeitsvektorfeldern in einer Ebene der Strömung unter Nutzung von Laserpulslicht und einer großen Anzahl von Tracerpartikeln mit kleiner Stokes-Zahl

Technische Daten

  • 4 x 400 mJ Nd:YAG Doppelpulslaser (z.T. mit Pulstrennungsoption) bei lambda = 532 nm
  • 8 x sCMOS global shutter double-frame 5.6 Mpx Kameras
  • 5 x Partikelgeneratoren und Impaktoren zur Erzeugung von Aerosol mit Ø ~ 1 µm
  • 2 x Programmierbarer Sequenzer für TTL-Signalerzeugung an 16 Kanälen
  • 2 x Photron APX-RS 1 Mpx Hochgeschwindigkeitskameras mit 3 kHz Framerate
  • 8 x RAID 6 Aufnahme PCs, Auswertecluster und 10 GigE-NAS
  • mobiles PIV-Messsystem

Projekt-Highlights

  • European Windtunnel Association - EWA
  • PivNet 2 
  • AVERT
  • FAR-Wake
  • SAMURAI – Synergy of advanced measurement techniques for unsteady and high Reynolds number aerodynamic investigations
    Ziel: Untersuchung von Hochauftriebssystemen mit Propellerintegration in Windkanälen und der realen Triebwerksströmung in einem A320 Standversuch mittels kombinierter Anwendung von optischen Messverfahren
  • VICTORIA - (Virtual Aircraft Technology Integration Platform, DLR)
    Ziel: Generierung eines hochaufgelösten, 3-dimensionalen Geschwindigkeitsfelddatensatz für Grenzschichtströmungen unter Einfluss eines positiven Druckgradienten bei hohen Reynoldszahlen
  • JERONIMO - JEt noise of high bypass RatiO eNgine: Installation, advanced Modelling and mitigatiOn
    Ziel: Untersuchung aeroakustischer Installationseffekte von Triebwerksströmungen u.a. durchStrömungsmessungen hochaufgelöster 3C-Geschwindigkeitsfelder mittels SPIV

Kooperationen

  • Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA)
  • Deutsch-Niederländische Windkanäle (DNW)
  • Uni BW München
  • TU Delft
  • LaVision GmbH
  • MPI –DS Göttingen

Literatur

  • Raffel M, Willert CE, Wereley ST, Kompenhans J (2007) Particle Image Velocimetry: A Practical Guide, 2nd edn. Springer, Berlin
  • Westweel J, Elsinga GE, Adrian RJ (2013) Particle image velocimetry for complex and turbulent flows. Annu Rev Fluid Mech 45:409-43