DE102005056409B3

DE102005056409B3 - Verfahren zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes in bewegten gasförmigen oder flüssigen Medien mit Hilfe von in das Medium eigebrachten Teilchen

Info

Publication number: DE102005056409B3
Application number: DE200510056409
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wieneke
Original assignee: LaVision GmbH
Current assignee: LaVision GmbH
Priority date: 2005-11-26
Filing date: 2005-11-26
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-11-27

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes in bewegten gasförmigen oder flüssigen Medien mit Hilfe von in dem Medium vorhandenen Teilchen, wobei durch eine Lichtquelle eine Lichtlinie in dem Medium erzeugt wird, wobei entlang dieser Lichtlinie durch mindestens eine Kamera zur Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten mehrerer Teilchen eine Mehrzahl von Teilchen auf mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bildern sichtbar gemacht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes in bewegten gasförmigen oder flüssigen Medien mit Hilfe von in dem Medium vorhandenen Teilchen.
Mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) steht ein laseroptisches Messverfahren für die Untersuchung von strömungsdynamischen Vorgängen in Gasen oder Flüssigkeiten zur Verfügung. Es beruht auf dem Prinzip der Doppler-Frequenzverschiebung. Das heißt, dieses Verfahren stellt sich als ein lokales, optisches Geschwindigkeitsmessverfahren von Teilchen in einem Strömungsfeld dar. Hierbei wird das monochromatische und kohärente Licht eines Lasers als Sender genutzt. Dieses Licht des Lasers wird an Teilchen gestreut, die als Tracer im Medium vorhanden oder künstlich in das Medium eingebracht worden sind. Sind die Teilchen hinreichend klein, so ist davon auszugehen, dass die Geschwindigkeit der Teilchen der Geschwindigkeit der Strömung entspricht. Das Streulicht, das vom Empfänger registriert wird, weist eine Frequenzverschiebung auf, die auf dem Doppler-Effekt beruht. Hierbei sind Doppler-Frequenz und Geschwindigkeit einander proportional. Durch einen geeigneten Messaufbau besteht die Möglichkeit, die drei Geschwindigkeitskomponenten des Geschwindigkeitsvektors eines Teilchens direkt und simultan an einem einzigen Punkt zu erfassen.
Problematisch an dem vorbekannten Stand der Technik, namentlich an dem LDA-Verfahren, ist, dass die Messung nur in einem Punkt erfolgen kann. Das bedeutet, mittels LDA erhält man die Geschwindigkeit eines Punktes oder eines Teilchens zeitaufgelöst mit einer hohen Wiederholrate von 10 bis 100 KHz, so dass z. B. Energiespektren berechnet werden können, allerdings nicht örtlich aufgelöst. Die örtliche Auflösung kann dann durch einen Scanvorgang einer Fläche oder eines Volumens ermittelt werden, was zeitaufwändig ist. Das heißt, durch das Scannen erhält man für jeden Punkt das Energiespektrum eines Teilchens im Raum. Das Problem hierbei ist, dass die Ortsauflösung auf Grund des Scanvorganges nicht zeitgleich erfolgt. Das bedeutet ganz praktisch, dass man z. B. den Wirbel in einer Strömung nicht visualisieren kann, und keine instantanen räumlichen Gradienten des Geschwindigkeitsfeldes berechnet werden können. Das heißt, die Visualisierung von Strömungsstrukturen ist mit Hilfe des LDA-Verfahrens nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Strömungsgeschwindigkeiten von Teilchen in Flüssigkeiten oder Gasen unter Verwendung preiswerter Kameras und preiswerter Lichtquellen mit hoher zeitlicher Auflösung zu ermitteln.
In diesem Zusammenhang ist aus der DE 199 28 698 A1 eine Vorrichtung zur Durchführung von PIV-Messungen bekannt, bei der ein Lichtschnitt erzeugt wird, wobei in dem Lichtschnitt die Teilchen in aufeinanderfolgenden Bildern detektiert und hieraus das Geschwindigkeitsfeld ermittelt wird.
In gleicher Weise ist auch die Verwendung von Lichtebenen oder Lichtschnitten aus der DE 100 18 305 C2 , der DE 195 07 707 A1 , der DE 42 37 440 C1 und der DE 197 37 933 A1 bekannt. Die Erzeugung von Lichtebenen oder Lichtschnitten bedingt aber die Verwendung von teuren Lasern.
Das Verfahren zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes in bewegten, gasförmigen oder flüssigen Medien mit Hilfe von in das Medium eingebrachten Teilchen zeichnet sich im Einzelnen dadurch aus, dass durch eine Lichtquelle eine Lichtlinie in dem Medium erzeugt wird, wobei entlang dieser Lichtlinie durch mindestens eine Kamera zur Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten mehrerer Teilchen eine Mehrzahl von Teilchen auf mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bildern sichtbar gemacht werden. Hieraus wird deutlich, dass man vom Grundsatz her Laser geringer Lichtleistungen verwenden kann, ähnlich wie bei dem LDA-Verfahren, man nutzt allerdings die Lichtleistung entlang einer Linie und nicht nur in einem Punkt. Bei Verwendung von Kameras hoher Bildwiederholrate, also hoher Frequenz, besteht dann die Möglichkeit, entlang dieser Linie das Geschwindigkeitsfeld in einem solchen bewegten Medium zu bestimmen. Das heißt, durch Verwendung von z. B. schnellen CMOS-Kameras besteht die Möglichkeit, der Lichtlinie angepasste Bildfelder mit z. B. 1024 × 32 Pixel mit einer Wiederholrate von 20 bis 70 KHz aufzunehmen. Dadurch ergibt sich ähnlich wie bei dem LDA-Verfahren eine hohe zeitliche Auflösung. Hierbei ist wesentlich, dass die Dicke d der Lichtlinie und die Zeit dt zwischen aufeinanderfolgenden Bildern (= 1/Bildwiederholrate) der Geschwindigkeit V der Strömung so angepasst ist, dass V × dt < d ist. Das heißt nichts anderes, als dass um sicherzustellen, dass innerhalb der Linie bei zwei aufeinanderfolgenden Bildern das entsprechende Teilchen tatsächlich zweimal sichtbar ist, die Dicke der Lichtlinie größer ist als das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Teilchens und der Frequenz, d. h. der Bildwiederholrate der Kamera.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich die Geschwindigkeitskomponente V_z senkrecht zur Lichtlinie und senkrecht zur Verbindungslinie durch zwei Kameras bestimmbar.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung des Geschwindigkeitsgradienten der Strömung das Teilchen an mindestens drei aufeinanderfolgenden Bildern sichtbar ist. Der Vorteil hierbei besteht darin, dass hiermit räumliche Geschwindigkeitsgradienten bzw. Beschleunigungen in einer Strömung bestimmt werden können, also beispielsweise die Drehgeschwindigkeit von Wirbeln in dem sich bewegenden Geschwindigkeitsfeld von Teilchen in einem Fluid.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Erzeugung der Lichtlinie eine gepulste Lichtquelle Verwendung findet, wobei die Pulsrate der Lichtquelle mit der Bildwiederholrate der Kamera korreliert. Das heißt insbesondere, dass dann, wenn die Pulsdauer der Lichtquelle kleiner ist als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern, eine konturscharfe Abbildung des Teilchens, mithin ein höherer Kontrast der bildichen Darstellung der Strömung und daher eine genauere Bestimmung der Geschwindigkeitsvektoren möglich ist. Der gleiche Vorteil kann bei einer Dauerlichtquelle dadurch erreicht werden, dass die Belichtungszeit der Kamera elektronisch verkleinert wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Verwendung von einer Kamera die Geschwindigkeitskomponente in Beobachtungsrichtung dadurch bestimmbar ist, dass die Veränderung der Helligkeit des Teilchens über die Zeit ermittelt wird, wobei die Helligkeit des Teilchens abhängig ist von der Lage des Teilchens im Lichtschnitt der Lichtlinie. Hierbei wird von der Erkenntnis ausge-gangen, dass die Helligkeit in der Mitte des Lichtschnittes des Lichtstrahls am höchsten ist und zum Rand hin abfällt. Vorteilhaft hierbei ist, dass lediglich eine Kamera zur Bestimmung aller drei Geschwindigkeitskomponenten erforderlich ist.
Anhand der zeichnerischen Darstellungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt den Versuchsaufbau mit einer Kamera und einer Lichtquelle;
2a zeigt einen Ausschnitt auf der Lichtlinie in vergrößerter Darstellung zu einem ersten Zeitpunkt;
2b zeigt den Ausschnitt gemäß 2a zu einem zweiten Zeitpunkt;
3 zeigt beispielhaft eine Darstellung eines Strömungsfeldes entlang einer Lichtlinie, wobei die horizontale Achse der Position der Teilchen entlang der Linie entspricht und die vertikale Achse die Zeitachse darstellt;
Aus der zeichnerischen Darstellung ergibt sich eine Lichtquelle 1, durch die eine Lichtlinie 2 erzeugt wird. Die Dicke der Lichtlinie 2 ist derart, dass jedes in dem Strömungsfeld befindliche Teilchen A, B,... in zwei aufeinanderfolgenden Bildern jeweils mindestens einmal sichtbar ist (2a, 2b). Für die Erzeugung der Bilder dient die Kamera 3, die rechtwinklig zur Lichtlinie angeordnet ist. Hierbei kann man mit der Kamera 3 die beiden Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Beobachtungsrichtung messen; wie sich in diesem Zusammenhang aus den 2a, 2b ergibt, die einen Ausschnitt X einer Lichtlinie zu zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten darstellen, ist die Bewegung von Teilchen im Lichtschnitt erkennbar.
Bei Verwendung von zwei winklig zueinander auf die Lichtlinie gerichteten CCD-Kameras, die denselben Bereich der Lichtlinie erfassen, können alle drei Geschwindigkeitskomponenten in X, Y und Z-Richtung erfasst werden. Das heißt, es erfolgt die Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten V_x, V_y und gegebenenfalls V_z von einer Vielzahl von Teilchen entlang einer Linie, woraus sich ein Geschwindigkeitsfeld entlang der Linie zeitlich hochaufgelöst sichtbar darstellen lässt.
Gemäß 3 stellen die Schattierungen des Hintergrundes die Ableitung der Strömungskomponente in X-Richtung nach der Zeit dV_x/dt, also einen der Strömungsgradienten dar.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes in bewegten gasförmigen oder flüssigen Medien mit Hilfe von in dem Medium vorhandenen Teilchen, wobei durch eine Lichtquelle (1) eine Lichtlinie (2) in dem Medium erzeugt wird, wobei entlang dieser Lichtlinie (2) durch mindestens eine Kamera (3) zur Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten mehrerer Teilchen eine Mehrzahl von Teilchen auf mindestens zwei aufeinanderfolgenden Bildern sichtbar gemacht wird, wobei die Dicke der Lichtlinie (2) abhängig ist von der Geschwindigkeit des Strömungsfeldes und die Bildwiederholrate der Kamera (3) höher ist als die Geschwindigkeit geteilt durch die Dicke der Lichtlinie.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Geschwindigkeitskomponente V_z senkrecht zur Lichtlinie (2) und senkrecht zur Verbindungslinie durch zwei Kameras (3) bestimmbar ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Geschwindigkeitsgradienten des Teilchens in einem Strömungsfeld das Teilchen auf mindestens drei aufeinanderfolgenden Bildern sichtbar ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Lichtlinie (2) eine gepulste Lichtquelle (1) verwendet wird, wobei die Pulsrate der Lichtquelle (1) mit der Bildwiederholrate korreliert.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung konturscharfer Abbildungen der Teilchen die Belichtungszeit der Kamera (3) entsprechend verkleinert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von einer Kamera (3) die Geschwindigkeitskomponente in Beobachtungsrichtung dadurch bestimmbar ist, dass die Veränderung der Helligkeit des Teilchens über die Zeit ermittelt wird, wobei die Helligkeit des Teilchens abhängig ist von der Lage des Teilchens im Lichtschnitt der Lichtlinie (2).