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Kapitel 3. Particle Image Velocimetry
Dem fließenden Medium werden meist kleine Partikel (Tracer) zur Visualisierung der Bewegung
hinzugefügt. Diese Tracer werden durch eine geeignete Lichtquelle (z.B. Laser) innerhalb
eines kurzen Zeitintervalls zweimal beleuchtet. Die beleuchtete Region wird durch
ein Kamera-Linsen-System aufgenommen. Die relative Verschiebung der Tracer zwischen
den Aufnahmen muss nun durch die Methoden des PIV-Verfahrens ermittelt werden. Dazu
werden die Aufnahmen in kleine äquidistante Analysefelder (interrogation windows) unterteilt.
Für jedes dieser Analysefelder wird ein lokaler Verschiebungsvektor durch statistische
Methoden ermittelt. Dies setzt natürlich voraus, dass zum einen die Bewegung zwischen den
Bildaufnahmen gleichförmig ist, zum anderen dass alle Partikel innerhalb eines Analysefelds
denselben Verschiebungsvektor besitzen. Nachfolgend werden die wichtigsten Eigenschaften
des PIV-Verfahrens nach [30, Seite 5] aufgeführt, bevor auf die Einzelheiten in den folgenden
Abschnitten genauer eingegangen wird.
Nicht-invasive Methode: Im Gegensatz zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mit
mechanischen (z.B. Pitot- oder Venturi-Rohr) oder elektrothermischen Messeinrichtungen
(z.B. Hitzedrahtsonden) arbeitet das PIV-Verfahren berührungslos. Es eignet sich also vor
allem bei Messaufbauten, deren Strömung sehr empfindlich gegenüber Messsonden ist.
Indirekte Geschwindigkeitsmessung: Um die Bewegung des Mediums sichtbar zu machen
und damit die Strömungsgeschwindigkeit messen zu können, werden dem Medium
kleine Tracer-Partikel hinzugefügt.
Bestimmung eines Strömungsfeldes: Durch die räumliche Auflösung des bildgebenden
Verfahrens ist es möglich, die Geschwindigkeit nicht nur an einem einzelnen Punkt, sondern
für den gesamten Bildbereich zu bestimmen.
Beleuchtung: Aufgrund der geringen Größe der Tracer-Partikel wird eine starke Lichtquelle
benötigt, um diese für den Lichtsensor des Kamerasystems sichtbar zu machen.
Belichtungsdauer: Die Belichtungsdauer sollte möglichst kurz gewählt werden, dass die
Partikel sich innerhalb dieses Zeitraums möglichst nicht bewegen. Dies verhindert die Bewegungsunschärfe
der einzelnen Partikel.
Belichtungsintervall: Das Intervall zwischen den einzelnen Aufnahmen sollte lang genug
gewählt werden, um eine repräsentative Verschiebung der Partikel messen zu können. Im
Gegensatz dazu, sollte das Intervall so kurz wie möglich gehalten werden, damit die Ähnlichkeit
eines Bildausschnittes in zwei aufeinander folgenden Bildern möglichst hoch ist, um
eine eindeutige Zuordnung möglich zu machen.
Partikeldichte: Abb. 3.2 zeigt grafisch die Einteilung der Partikeldichte in drei verschiedene
Kategorien. Bei sehr geringer Dichte (low density) ist es möglich, einzelne Partikel zu
verfolgen. Man spricht hierbei dann von Particle-Tracking. Die mittlere Partikeldichte (medium
density) ist typisch für das PIV-Verfahren. Bei sehr hoher Partikeldichte (high density)
findet meist das LSV-Verfahren (Laser-Speckle-Velocimetry) seine Anwendung.
Masterarbeit Julian Paar 23