Zastosowanie metody PIV do analizy pola prędkości w obszarze konwekcji mieszanej

Akademia Górniczo-Hutniczaim. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej

Zastosowanie metody PIV

do analizy pola prędkości

w obszarze konwekcji mieszanej

Łukasz Zwaliński opiekun: dr inż. Marek Jaszczur

Cel pracy:

zastosowanie metody PIV (Particle Image Velocimetry) do analizy pola prędkości w obszarze konwekcji mieszanej

optymalizacja wybranych parametrów metody PIV, od których zależy jej dokładność

wyznaczenie pól prędkości płynu dla dostępnych danych pomiarowych

przegląd literatury naukowej dotyczącej metod pomiaru prędkości płynów

Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV …

Podział metod pomiaru prędkości płynu:Inwazyjne:

Anemometria (termoanemometria)

Rurka Prandtla

Bezinwazyjne:

Laserowa anemometria wieloogniskowa (LTA)

Dopplerowska anemometria laserowa (LDA)

Anemometria laserowa wykorzystująca indukowaną fluorescencję przepływu (LIF)

Cyfrowa anemometria obrazowa (PIV)

Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV …Zastosowanie metody PIV …

PIV - cyfrowa anemometria obrazowa

PIV to najnowszy sposób pomiaru pola prędkości z grupy dostępnych metod optycznych, nieinwazyjnych,

metoda pozwala na znalezienie wektorów prędkości poruszającego się płynu przy zastosowaniu korelacji obrazów zarejestrowanych kamerą lub aparatem fotograficznym,

metoda - zbierając dane w sposób wielopunktowy - dostarcza natychmiast informacji o polu prędkości,

rejestrowane są pozycje cząstek posiewu domieszkowanych do przepływu, charakteryzujących ruch płynu (polyestyren, szklane sfery, oleje, ciekłe kryształy, bąbelki tlenu),

metoda pozwala na precyzyjny pomiar pola prędkości 2 lub 3 składowych wektora


Podstawowe wymog i zastosowania PIV:

optycznie przeźroczysty ośrodek pomiarowy,

impulsowe lub ciągłe źródło światła,

medium rejestrujące obraz (aparat fotograficzny, kamera CCD),

komputer służący do obróbki danych.


Podstawowe parametry, od których zależy dokładność wyznaczania pola prędkości metodą PIV:

intensywność światła (pikseli),

czułość i rozdzielczość optyki pomiarowej,

rozmiar okna pomiarowego,

maksymalna wielkość rejestrowanego przemieszczenia,

charakter ruchu płynu,

parametry posiewu,

dobór odstępu czasowego między rejestrowanymi obrazami.


Schemat układu pomiarowego:


t t + t

cross-korelacja

auto-korelacja

pole prędkości

PC

lub

naczynie pomiarowe

tafla świetlna

źródło światła

kamera CCD

obraz zarejestrowany przez kamerę

objętość pomiarowa

z y

x

t oraz t + t


Procesy korelacji obrazów.

Analiza pojedynczej ramki/podwójnie eksponowanej- metoda auto-correlation.

Analiza dwóch ramek/ pojedynczo eksponowanych - metoda cross-corelation.

FT

t

t+t

FT-1

FT

t oraz t+t

FT-1

*ˆˆ II

*21

ˆˆ II

Opis stanowiska pomiarowego.


Wyznaczenie pól prędkości płynu dla dostępnych danych pomiarowych

- ruch domieszkowanych ciekłych kryształów w cylindrycznym naczyniu pomiarowym dla konwekcji naturalnej i mieszanej


Optymalizacja metody PIV

- dobór rozmiaru podregionu analizowanego obrazu, będącego przedmiotem auto/cross-korelacji

- analiza wpływu nakładania się okien podregionów (overlapping) na wynik korelacji

- dobór parametrów funkcji eliminacji wektorów błędnych



Wyniki obliczeń dla różnego rozmiaru podregionu obrazu:

64x64 piksele 32x32 piksele

16x16 pikseli 8x8 pikseli

cross-korelacja ta= 10,32 s

tb= 10,40 s

analiza wyłącznie rozmiaru podregionu – optymalny rozmiar 32x32 pikseli• po - optymalizacji funkcji eliminacji wektorów błędnych

- zastosowaniu techniki nakładania podregionów

optymalny rozmiar 32x32 pikseli z 50% nakładaniem podregionów 16x16 pikseli


64x64 piksele 32x32 piksele 16x16 pikseli 8x8 pikseli 32x32 piksele 50% overlap


Wyniki obliczeń dla konwekcji naturalnej, Gr=92 444, Re =0

t = 7,2 s

t = 10,4 s t = 14,4 s

t = 2,4 s


Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=92 444, Re =10

t = 372 s t = 410 s

t = 940 s t = 948 s


Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=92 444, Re =10

t = 1544 s t = 1548 s

t = 1550 s t = 1556 s


Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=115 555, Re=5

t = 1548 st = 944 s

t = 914 st = 458 s


Podsumowanie

Dokonano przeglądu literatury, dotyczącej aktualnie dostępnych metod pomiaru prędkości płynu.

Wybrano optymalne parametry metody PIV dla obliczenia pola prędkości poprzez auto i cross–korelację.

Wyznaczono serię pól wektorowych dla wybranego przepływu - przedstawiono zmiany struktury przepływu w czasie dla konwekcji naturalnej i mieszanej.

Documents

Zastosowanie metody PIV do analizy pola prędkości w obszarze konwekcji mieszanej