Dreidimensionale Geschwindigkeitsfeldmessungen
Zur Messung von dreidimesionalen Geschwindigkeitsfeldern wird das Fluid mit Partikeln versetzt, die anschließend durch Laser oder Dioden beleuchtet werden. Das von den Partikeln abgestrahlte Licht wird von einer oder mehreren Kameras aufgenommen. Aus diesen Aufnahmen werden dann die dreidimensionalen Partikelpositionen im Raum bestimmt, siehe unten für weitere Details.
In einem weiteren Schritt muss die Zuordnung von korrespondierenden Partikeln zu zwei oder mehr Zeitpunkten geschehen, um Verschiebungen bzw. Geschwindigkeiten zu ermitteln. Dieser Schritt wird als Tracking bezeichnet und ist hier detaillerter dargestellt.
Mehr-Kamera Systeme (3D-PTV/Tomo-PTV)
Komplexe Strömungen erfordern die Kenntnis des 3D Geschwindigkeitsfeldes zum umfassenden Verständnis der Strömungstopologie. Mehr-Kamera Systeme erlauben dabei die Messung bei hohen Seedingdichten und somit hoher Informationsdichte.
Der Fokus der Forschung am Institut in diesem Bereich liegt dabei auf volumetrischen Partikel Tracking Methoden, da diese eine hohe räumliche Auflösung erreichen. Dadurch können kleinskalige Strömungsstrukturen und hohe Geschwindigkeitsgradienten aufgelöst werden.
Neben der 3D-PTV Methode, welche nur relativ geringe Seedingdichten erlaubt, wurde am Institut die sogenannte tomographische Prädiktor Methode entwickelt. Bei dieser wird initial eine tomographische Rekonstruktion des Messvolumens durchgeführt. Die rekonstruierten 3D Partikelpositionen werden anschließend auf den Sensor projiziert und nur Positionen, die eindeutig einem Partikelbild zugeordnet werden können, gelten als valide Partikelpositionen. Mehrdeutigkeiten in der Rekonstruktion werden auf diese Weise effektiv unterdrückt. Durch die Auflösung der Mehrdeutigkeiten können Partikelbilddichten bis zu 0.05 Partikel pro Pixel erreicht werden.
Der Fokus der Forschung am Institut in diesem Bereich liegt dabei auf volumetrischen Partikel Tracking Methoden, da diese eine hohe räumliche Auflösung erreichen. Dadurch können kleinskalige Strömungsstrukturen und hohe Geschwindigkeitsgradienten aufgelöst werden.
Neben der 3D-PTV Methode, welche nur relativ geringe Seedingdichten erlaubt, wurde am Institut die sogenannte tomographische Prädiktor Methode entwickelt. Bei dieser wird initial eine tomographische Rekonstruktion des Messvolumens durchgeführt. Die rekonstruierten 3D Partikelpositionen werden anschließend auf den Sensor projiziert und nur Positionen, die eindeutig einem Partikelbild zugeordnet werden können, gelten als valide Partikelpositionen. Mehrdeutigkeiten in der Rekonstruktion werden auf diese Weise effektiv unterdrückt. Durch die Auflösung der Mehrdeutigkeiten können Partikelbilddichten bis zu 0.05 Partikel pro Pixel erreicht werden.
Bearbeiter:
Veröffentlichungen:
- Rochlitz H, Scholz P, Fuchs T (2014) The flow field in a high aspect ratio cooling duct with and without one heated wall. Experiments in Fluids 56:208
- Schosser C, Fuchs T, Hain R, Kähler CJ (2016) Non-intrusive calibration for three-dimensional particle imaging. Experiments in Fluids 57:69
- Fuchs T, Hain R, Kähler CJ (2016) Uncertainty quantification of three-dimensional velocimetry techniques for small measurement depths. Experiments in Fluids 57:73
- Fuchs T, Hain R, Kähler CJ (2016) Double-frame 3D-PTV using a tomographic predictor. Experiments in Fluids 57:174
Ein-Kamera Systeme (APTV/Defocusing PTV)
Mehr-Kamera Systeme müssen das Messvolumen aus unterschiedlichen Winkeln beobachten, was einen ausreichenden optischen Zugang erfordert. Häufig ist dieser Zugang jedoch begrenzt, z.B. in der Mikrofluidik durch die Mikroskopoptik, welche nur eine einzige Betrachtungsrichtung des Messvolumens zulässt. In makroskopischen Anwendungen können Einschränkungen durch den Bauraum an Prüfständen oder aber auch durch die begrenzte Geometrie des Messvolumens (z.B. Spalte) entstehen.
Häufig sind in den zuvor genannten Messumgebungen volumetrische Messungen notwendig. So muss z.B. in der Mikrofluidik das gesamte Messvolumen beleuchtet werden, da die minimal erreichbare Lichtschnittdicke sehr groß ist im Vergleich zur Messvolumentiefe. Zweidimensionale Methoden würden lediglich in einer Mittelung der Geschwindigkeit entlang der Messvolumentiefe resultieren, ohne das Geschwindigkeitsprofil aufzulösen.
Am Institut werden zur Messung in mikroskopischen und auch makroskopischen Umgebungen die Astigmatismus/Defokus PTV Methoden angewendet. Die Information der Partikelposition entlang der optischen Achse wird dabei aus der Geometrie des Partikelbilds gewonnen.
Häufig sind in den zuvor genannten Messumgebungen volumetrische Messungen notwendig. So muss z.B. in der Mikrofluidik das gesamte Messvolumen beleuchtet werden, da die minimal erreichbare Lichtschnittdicke sehr groß ist im Vergleich zur Messvolumentiefe. Zweidimensionale Methoden würden lediglich in einer Mittelung der Geschwindigkeit entlang der Messvolumentiefe resultieren, ohne das Geschwindigkeitsprofil aufzulösen.
Am Institut werden zur Messung in mikroskopischen und auch makroskopischen Umgebungen die Astigmatismus/Defokus PTV Methoden angewendet. Die Information der Partikelposition entlang der optischen Achse wird dabei aus der Geometrie des Partikelbilds gewonnen.
Bearbeiter:
Veröffentlichungen:
- Cierpka C, Segura R, Hain R, Kähler CJ (2010) A simple single camera 3C3D velocity measurement technique without errors due to depth of correlation and spatial averaging for microfluidics. Measurement Science and Technology 21:045401
- Fuchs T, Hain R, Kähler CJ (2014) Three-dimensional location of micrometer-sized particles in macroscopic domains using astigmatic aberrations. Optics Letters 39:1298-1301
- Rossi M, Kähler CJ (2014) Optimization of astigmatic particle tracking velocimeters. Experiments in Fluids 55:1809
- Barnkob R, Kähler CJ, Rossi M (2015) General defocusing particle tracking. Lab on a Chip 15:3556-3560
- Fuchs T, Hain R, Kähler CJ (2016) In situ calibrated defocusing PTV for wall-bounded measurement volumes. Measurement Science and Technology 27:084005