Particle Image Velocimetry (PIV)

Geschwindigkeitsfeld hinter einem Propeller

Messgrößen

  • Geschwindigkeit

Prinzip

Durch Anwendung des Particle Image Velocimetry (PIV) Messverfahrens können momentane Geschwindigkeitsvektorfelder aus zwei zeitlich genau bekannten Abbildungen von Streupartikeln in einer Ebene der Strömung bestimmt werden: Das Prinzip von PIV basiert auf der physikalischen Definition der Geschwindigkeit als Differenzenquotient. Aus der während einer definierten Zeitspanne dt = t’ - t zurückgelegten Wegstrecke dx und dy eines Ensembles von der Strömung zugesetzten, schlupffrei folgenden Streupartikeln wird die momentane Geschwindigkeit an typischerweise ca. 10000 Stellen eines Abbildungsbereiches in der Strömung durch ein lokales Mittelungsverfahren bestimmt. Dazu wird ein ebener Laserlichtschnitt konstanter Dicke in die zu untersuchende Strömung eingebracht und die Streupartikel mit Hilfe eines Pulslasers zweimal hintereinander kurz beleuchtet. Mit einer Aufnahmeoptik werden die Projektionen der Partikelverschiebungen auf die Lichtschnittebene abgebildet. Durch eine geeignete CCD-Sensortechnik kann das Streulicht der aufeinanderfolgenden Partikelbeleuchtungen auf zwei getrennten Bildern aufgenommen werden. Die Auswertung der digitalen Partikelbilder erfolgt mit Hilfe eines statistischen Auswerteverfahrens, das mit kleinen Abfragefenstern zur Berechnung der zweidimensionalen Kreuzkorrelationen zwischen den beiden Intensitätsverteilungen zu den Zeitpunkten t und t’ innerhalb des Abfragefensters arbeitet. Eine Erweiterung des PIV Messverfahrens ist das Stereo PIV. Mit diesem Verfahren können Vektorfelder, die alle drei Geschwindigkeitskomponenten enthalten, in einer Ebene der Strömung ermittelt werden. Zusätzlich können zwei senkrecht zueinander polarisierte Laserlichtschnitte mit einem geeigneten Aufbau dazu verwandt werden, gleichzeitig oder zu einem beliebig definierten späteren Zeitpunkt in zwei Ebenen der Strömung drei Komponenten enthaltene Geschwindigkeitsfelddaten zu erheben.

Anwendung

Allgemein können mit PIV Untersuchungen jeder Art von optisch zugänglichen Strömungen durchgeführt werden, denen schlupffrei folgende Streupartikel zugesetzt werden können. Folgende Beispiele von schon durchgeführten PIV Messungen soll die Anwendungsbreite dieser Messtechnik veranschaulichen. Die Ergebnisse dienten aerodynamischen und strömungsmechanischen Untersuchungen von:
- Hochauftriebskonfigurationen in industriellen Windkanälen.
- Wirbelschleppen von Verkehrsflugzeug- und Flügelmodellen.
- Nachläufen von transsonisch umströmten Hinterkanten
- Deltaflüglern in transsonischen Strömungen.
- Periodisch angeregten Flügelmodellen
- Hubschraubern und Propellern
- Turbulenten und transitionellen Grenzschichten.
- Turbulenten, transsonischen Freistrahlen.
- Strömungen in der Fahrgastzelle von PKWs.
- Prozessluftströmungen in Haushaltsgeräten.
- Personen- und Lastkraftwagen(modellen)
- Turbinen(innen)strömungen
- Verbrennungsmotoren und Flammen
- Mikrokanälen

Literatur / Referenzen

  • Particle Image Velocimetry - A Practical Guide (2nd Edition). Raffel, Markus und Willert, Christian und Wereley, Steven und Kompenhans, Jürgen (2007), Experimental Fluid Mechanics . Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York , 448 S. ISBN 978-3-540-72307-3
  • Particle Image Velocimetry in Aerodynamics: Technology and Applications in Wind Tunnels, Kompenhans, J.; Raffel, M.; Dieterle, L.; Dewhirst, T.; Vollmers, H.; Ehrenfried, K.; Willert, C.; Pengel, K.; Kähler, C.; Schröder, A.; Ronneberger, O., Proceedings of VSJ-SPIE98, Yokohama, Japan, Dec. 1998, paper KL306
  • Particle Image Velocimetry - An advanced experimental tool for the investigation of turbulent flow fields, Kompenhans, J..; Kähler, C.J., Engineering Turbulence Modelling and Experiments – 5 (2002), Rodi, W.; Fueyo, N. (eds.), Elsevier Science Ltd.
  • Schröder, Andreas und Willert, Christian (2008) Particle Image Velocimetry "New Developments and Recent Applications". Topics in Applied Physics, Vol. 112 . Springer Berlin, Heidelberg, New York , 490 S. ISBN 978-3-540-73527-4. ISSN 0303-4216

Institut / Einrichtung

DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik

Kontakt

Dr.rer.nat. Andreas Schröder
DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik

Jochen Krampe
Technologiemarketing

Dr. Frank Holtmann
Technologiemarketing

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