DE102005056409B3 - Method of determining the velocity field in moving gaseous or fluid medium using particles disposed in the medium - Google Patents

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Abstract

The method involves generating a light line (2) in the medium using a light source (1). Several particles are made visible along the light line using a camera (3). The thickness of the line is dependent on the velocity of the flow field and the image repetition rate of the camera is greater than the velocity divided by the thickness of the line.

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.The The present invention relates to a method for determining the Velocity field in moving gaseous or liquid media with the aid of particles present in the medium.

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.With Aid of Laser Doppler Anemometry (LDA) is a laser optical Measuring method for the investigation of fluid dynamics operations in gases or liquids to disposal. It is based on the principle of Doppler frequency shift. The is called, this method turns out to be a local optical speed measuring method of particles in a flow field Here, the monochromatic and coherent light of a laser as Transmitter used. This light from the laser is scattered on particles, which are present as tracers in the medium or artificially introduced into the medium have been. If the particles are sufficiently small, it can be assumed that the velocity of the particles corresponds to the velocity of the flow. The stray light registered by the receiver has a frequency shift that is due to the Doppler effect based. Here, the Doppler frequency and speed are proportional to each other. Due to a suitable measuring setup, it is possible to use the three speed components the velocity vector of a particle directly and simultaneously at a single point.

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.Problematic in the known prior art, namely in the LDA method, is that the measurement can only be done in one point. That means, received by LDA to time the velocity of a point or particle with a high repetition rate of 10 to 100 kHz, so that z. B. energy spectra can be calculated but not local dissolved. The local resolution can then be determined by scanning a surface or a volume be, which is time consuming is. This means, obtained by scanning one for one every point the energy spectrum of a particle in space. The problem Here is that the spatial resolution due to the scan did not occur at the same time. That means very convenient, that z. B. not the vortex in a flow can visualize, and no instantaneous spatial gradient of the velocity field can be calculated. This means, the visualization of flow structures is using the LDA process not possible.

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.Of the The invention is therefore based on the object flow velocities of Particles in liquids or gases using cheaper cameras and cheaper To determine light sources with high temporal resolution.

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 this context is from the DE 199 28 698 A1 a device for performing PIV measurements is known in which a light section is generated, wherein detected in the light section, the particles in successive images and from this the speed field is determined.

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.In the same way, the use of light planes or light sections from the DE 100 18 305 C2 , of the DE 195 07 707 A1 , of the DE 42 37 440 C1 and the DE 197 37 933 A1 known. However, the generation of light planes or light sections requires the use of expensive lasers.

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.The Method for determining the velocity field in moving, gaseous or liquid Media by means of particles introduced into the medium draws In detail, by the fact that by a light source Light line is generated in the medium, wherein along this light line by at least one camera for determining the velocity components a plurality of particles a plurality of particles to at least two successive pictures are made visible. This will become clearly that you basically laser low light output can use, similar as with the LDA method, but one uses the light output along a line and not just in one point. Using of high refresh rates, ie high frequency then the possibility along this line the velocity field in such a moving To determine medium. This means, by using z. B. fast CMOS cameras, it is possible the light line adapted image fields with z. B. 1024 × 32 pixels record at a repetition rate of 20 to 70 KHz. This results similar as in the LDA method, a high temporal resolution. in this connection it is essential that the thickness d of the light line and the time dt between successive pictures (= 1 / frame rate) of Velocity V of the flow is adjusted so that V × dt <d. That means nothing other than that to make sure that within the line two consecutive pictures the corresponding particle actually twice is visible, the thickness of the light line is greater than the ratio between the velocity of the particle and the frequency, d. H. the refresh rate the camera.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich die Geschwindigkeitskomponente Vz senkrecht zur Lichtlinie und senkrecht zur Verbindungslinie durch zwei Kameras bestimmbar.In an advantageous embodiment of the invention, in addition, the velocity component V z can be determined perpendicular to the light line and perpendicular to the connecting line by two cameras.

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.According to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that for determining the velocity gradient of the flow, the particle is visible on at least three successive images. The advantage here is in that herewith spatial velocity gradients or accelerations in a flow can be determined, for example the rotational speed of vortices in the moving velocity field of particles in a 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.To a further advantageous embodiment of the invention is provided in that a pulsed light source is used to generate the light line finds, where the pulse rate of the light source at the refresh rate the camera correlates. That means in particular that if the pulse duration of the light source is smaller than that Time between two consecutive pictures, one contour sharp Image of the particle, hence a higher contrast of the images Representation of the flow and therefore a more accurate determination of the velocity vectors possible is. The same advantage can be achieved with a permanent light source can be achieved that the shutter speed of the camera electronically is reduced.

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.To a further advantageous embodiment of the invention is provided when using a camera, the speed component in the direction of observation can be determined by the fact that the change the brightness of the particle over the time is determined, the brightness of the particle is dependent from the position of the particle in the light section of the light line. in this connection is based on the knowledge that the brightness in the Center of the light section of the light beam is highest and towards the edge drops. The advantage here is that only one camera for determination all three speed components is required.

Anhand der zeichnerischen Darstellungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.Based In the drawings, the invention will be described below exemplified in more detail.

1 zeigt den Versuchsaufbau mit einer Kamera und einer Lichtquelle; 1 shows the experimental setup with a camera and a light source;

2a zeigt einen Ausschnitt auf der Lichtlinie in vergrößerter Darstellung zu einem ersten Zeitpunkt; 2a shows a section on the light line in an enlarged view at a first time;

2b zeigt den Ausschnitt gemäß 2a zu einem zweiten Zeitpunkt; 2 B shows the clipping according to 2a at a second time;

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; three shows by way of example a representation of a flow field along a light line, wherein the horizontal axis corresponds to the position of the particles along the line and the vertical axis represents the time axis;

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.From the graphic representation results in a light source 1 through which a light line 2 is produced. The thickness of the light line 2 is such that each particle A, B,... present in the flow field is visible at least once in two consecutive images ( 2a . 2 B ). The camera is used to create the images three , which is arranged at right angles to the light line. Here you can with the camera three measure the two velocity components perpendicular to the direction of observation; how in this context from the 2a . 2 B results, which represent a section X of a light line at two successive times, the movement of particles in the light section is visible.

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 Vx, Vy und gegebenenfalls Vz von einer Vielzahl von Teilchen entlang einer Linie, woraus sich ein Geschwindigkeitsfeld entlang der Linie zeitlich hochaufgelöst sichtbar darstellen lässt.When two CCD cameras aiming at the light line at an angle to each other, which detect the same area of the light line, all three speed components in the X, Y and Z directions can be detected. That is, the determination of the velocity components V x , V y and optionally V z of a plurality of particles along a line, from which a velocity field along the line can be displayed in high-resolution temporally resolved.

Gemäß 3 stellen die Schattierungen des Hintergrundes die Ableitung der Strömungskomponente in X-Richtung nach der Zeit dVx/dt, also einen der Strömungsgradienten dar.According to three the shades of the background represent the derivation of the flow component in the X-direction after the time dV x / dt, ie one of the flow gradients.

Claims (6)

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.Method for determining the velocity field in moving gaseous or liquid media by means of particles present in the medium, wherein a light source ( 1 ) a light line ( 2 ) is generated in the medium, wherein along this light line ( 2 ) by at least one camera ( three ) for determining the velocity components of a plurality of particles, a plurality of particles is visualized on at least two successive images, the thickness of the light line ( 2 ) depends on the speed of the flow field and the refresh rate of the camera ( three ) is higher than the speed divided by the thickness of the light line. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Geschwindigkeitskomponente Vz senkrecht zur Lichtlinie (2) und senkrecht zur Verbindungslinie durch zwei Kameras (3) bestimmbar ist.A method according to claim 1, characterized in that in addition the velocity component V z perpendicular to the light line ( 2 ) and perpendicular to the connecting line through two cameras ( three ) is determinable. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that for determining the velocity gradients of the particle in a flow field the particle is visible on at least three consecutive images is. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to produce the light line ( 2 ) a pulsed light source ( 1 ), the pulse rate of the light source ( 1 ) correlates with the refresh rate. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung konturscharfer Abbildungen der Teilchen die Belichtungszeit der Kamera (3) entsprechend verkleinert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that, to produce contour-sharp images of the particles, the exposure time of the camera ( three ) is reduced accordingly. 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).Method according to one of the preceding claims, characterized in that when using a camera ( three ) the speed component in the observation direction can be determined by determining the change in the brightness of the particle over time, the brightness of the particle being dependent on the position of the particle in the light section of the light line ( 2 ).
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