Tomographic Particle Image Velocimetry

Allgemeines Funktionsprinzip

Bei der Particle Image Velocimetry (PIV) handelt es sich um eine optische, nicht-invasive Methode der Strömungsmessung. Die Messung der Geschwindigkeit erfolgt durch die Detektion von in der Strömung befindlichen Partikeln. Diese Partikel werden durch Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet. Durch die Kenntnis der zwischen zwei aufeinander folgenden Bildern verstrichenen Zeit sowie dem Versatz, der sich auf den Bildern messen lässt, kann so das Geschwindigkeitsfeld der Strömung bestimmt werden. Die im Lehr- und Forschungsgebiet verwendete Untervariante der PIV, die sogenannte Tomographic Particle Image Velocimetry (tomo-PIV) verwendet zur Bestimmung der Geschwindigkeit ein Kamerasystem aus 3 Kameras. Diese Kameras sind dabei planar angeordnet und um einen definierten Winkel zueinander verdreht. Diese Anordnung ermöglicht durch vorheriges kalibrieren des Messvolumens eine tomographische Rekonstruktion und somit eine volumetrisch aufgelöste Bestimmung der Partikelbewegung.

Tomographic Particle Image Velocimetry ( Tomo PIV)

Das verwendete System Imager Pro X wurde von LaVision gefertigt und nimmt Doppelbilder mit einer Frequenz von ca. 15 Hz auf. Mit dem aktuellen Setup sind Voxelgrößen bis zu minimal 70µm³ realisierbar. Dies ermöglicht die Messung von Geschwindigkeiten, abhängig von den Belichtungs- Aufnahmezeiten des Systems, von ca. 2.5 mm/s bis zu maximal 70m/s. Die Kameras können dabei beliebig angeordnet werden, es empfiehlt sich jedoch ein Winkel von 15° bis 45° von der Hauptkamera zu den Nebenkameras, um eine gute tomographische Rekonstruktion des Volumens erhalten zu können. Im Labor stehen für die tomographische PIV 3 Kameras zur Verfügung. Diese werden im Standardfall so adjustiert, dass alle Kameras in einer Ebene liegen und unter einen Winkel von ca. +/- 30° zur Hauptkamera ausgerichtet sind.

Beleuchtungssystem

Zur Beleuchtung stehen im Labor zwei Systeme zur Verfügung. Eine mögliche Beleuchtungsvariante kann durch eine LED-Applikation von ILA, bestehend aus zwei gepulsten LED's, deren Pulsweite und Belichtungsfrequenz mit dem Kamerasystem gekoppelt werden kann realisiert werden. Dieses Belichtungssystem erlaubt zusätzlich die manuelle Anpassung der Belichtung durch veränderung der Pulsverschiebung und der abgegebenen Lichtleistung. Dieses System eignet sich zum  Ausleuchten größerer Volumina, wie sie bei Ausflussvorgängen, sogenannten Jet-Strömungen vorkommen. Zur Auswertung planarer Vektorfelder kann eine Lichtschnittoptik angebracht werden, die dann nur noch einen sehr schmalen Lichtstreifen abgibt und somit quasi-planar die Partikel in der Strömung beleuchtet.

In Fällen, bei denen eine starke Beleuchtung notwendig ist, kann auf ein LASER-System zur Beleuchtung zurückgegriffen werden. Hierzu verfügt das Lehr- und Forschungsgebiet Biofluidmechanik über ein Lasersystem von EverGreen mit einer Impulsenergie von 200 mJ und einer Beleuchtungsdauer von 7 ns. Der Laser kann an die Aufnahmefrequenz der Kameras gekoppelt werden, sodass eine gezielte Beleuchtung des Messvolumens ermöglicht wird.