The significance of coherent flow structures for the turbulent mixing ...

Contents
1 Introduction 5
2 Particle Image Velocimetry 13
2.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Generation of appropriate tracer-particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Description of the experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Particle size analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Flow visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Registration of the particle images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1 Principles of CCD sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Quantum efficiency and signal-to-noise ratio . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3 CCD architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Particle image analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1 Particle image density, loss of pairs and velocity gradients . . . . . . 30
2.4.2 Signal-peak detection and displacement determination . . . . . . . . 31
3 Stereo-scopic Particle Image Velocimetry 37
3.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Error analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.2 Scheimpflug condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Evaluation of stereo-scopic image pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Determination of the mapping function . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 Image warping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.3 Vector field warping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.4 Interrogation window warping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Calibration validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Multiplane Stereo Particle Image Velocimetry 49
4.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Four-pulse-laser System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2.1 Performance of spatial light-sheet separation . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.2 Generation and controlling of the timing sequence . . . . . . . . . . 54
4.3 Modes of Operation I – In-plane flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Modes of Operation II – Out-of-plane flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5 Simplified recording system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6 Polarisation effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3