-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Messen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung einer
Flüssigkeit, die mit Partikeln angereichert ist, gemäß Patentanspruch
1.
-
Ein Funkenwegverfolgungsverfahren (spark tracing method) ist
ein Verfahren zum Messen einer Gasströmung, in dem Funken zu
gegebenen Zeitperioden entladen werden, um dadurch eine
zeitliche Kette, die durch eine Funkenkette repräsentiert wird, wie
sie durch jede der oben erwähnten Entladung erzeugt wird,
aufzunehmen. Das Sichtbarmachen einer
Hochgeschwindigkeitsgasströmung wird durch Erhöhen der Frequenz einer Pulsspannung auf
einen gewissen Pegel ermöglicht. Auch das fotografische
Aufnehmen einer Funkenkette kann leicht bewerkstelligt werden, da
die Funkenkette selbstleuchtend ist.
-
Jedoch besteht dahingehend ein Problem, daß das Bereitstellen
eines teuren Systems aufgrund der Anforderungen bezüglich der
Leistung für die Hochfrequenz und der hohen Spannung bei dem
Wegverfolgungsverfahren mittels Funken notwendig ist. Weiterhin
ist eine exakte Messung der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb
einer Trennschicht aufgrund der Störungen des Gases durch die
Funkenentladung nicht möglich.
-
Aus "Particle tracking velocimetry: an automatic image
processing algorithm, Applied Optics, Vol. 28, No. 20, 15
October 1989" ist ein Verfahren zum Detektieren von
Strömungsgeschwindigkeiten bekannt, bei dem eine mehrfache Aufnahme
von Bildern des Lichts von kleinen, innerhalb der Strömung sich
bewegenden Partikeln dazu verwendet wird, um die Partikelspuren
oder die Versetzungen aufzuzeichnen, um dadurch die
Strömungsgeschwindigkeit an mehreren Orten innerhalb eines Gebiets der
Strömung aufzeichnen zu können. Durch eine geeignete Pulsfolge
oder Codierung der Aufnahmen der Erhellung ist es möglich, die
Richtung und die Größe der Geschwindigkeit zu erhalten. Um die
gültigen Strömungsspuren zu extrahieren, wird ein
Bildverarbeitungsalgorithmus verwendet, der Gradientenoperatoren und
"curve fitting"-Techniken verwendet.
-
In "Digital image velocimetry, Applied Optics, Vol. 28, No. 4,
15 February 1989" ist eine Strömungsmeßtechnik für digitale
Bilder beschrieben, bei der das gesamte Verfahren von der
Bildaufnahme bis zur Geschwindigkeitsbestimmung elektronisch
ausgeführt werden kann. Es ist darin erwähnt, daß es möglich ist,
die Geschwindigkeit eines Kernpartikels durch Dividieren der
zurückgelegten Wegstrecke durch das Zeitintervall zwischen zwei
Aufnahmen zu bestimmen. Da ein fotografisches Bild in der
Praxis eine große Anzahl von Bildelementen enthält, die mit
ähnlichen Kernpartikeln korrespondieren, ist es extrem
schwierig, die Bildelemente des speziellen Partikels für das
Messen der Bildverschiebung zu identifizieren. Daher wird
vorgeschlagen, die Geschwindigkeit durch ein
Fourier-Transformationsverfahren zu bestimmen und nicht durch Bestimmen der
Wegstrecke der Partikel zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmen.
Weiterhin schlägt der Artikel vor, eine Zeitsequenz von Bildern
durch Verwendung einer Hochgeschwindigkeits- oder Videokamera
festzuhalten, wobei jedes Vollbild eine einzelne Aufnahme des
Bildes enthält, statt Bilder mit mehreren Aufnahmen zu
verwenden. Eine begrenzte Anzahl von Aufnahmen der Bilder werden
mit vorgeschriebenem zeitlichen Abstand abgetastet. Die
abgetasteten Bilder werden durch einen Bildprozessor digitalisiert,
verbessert und linear superpositioniert, um ein Bildfeld zu
konstruieren, das mit einem mehrfach Aufnahmebild äquivalent
ist.
-
Hinsichtlich dieses Stands der Technik ist es die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein System zum Messen der
Strömungsgeschwindigkeit in Flüssigkeiten anzugeben, welches in der Lage
ist, die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in schnellerer
und einfacherer Weise zu erreichen.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1
gelöst.
-
Das erfindungsgemäße System berechnet die
Strömungsgeschwindigkeit der Partikel in einer Flüssigkeit durch Berechnen der
Schwerpunkte der Partikel, welche durch zumindest zwei
Fotografien festgehalten sind, und durch Bestimmen der Koordinaten
der Schwerpunkte (Kerne). Durch das Ordnen der durch die
Koordinaten repräsentierten Schwerpunkte in einer Weise, wie sie in
Patentanspruch 1 beschrieben ist, ist eine sehr schnelle und
einfache Detektion der nächsten Nachbarschwerpunkte (closest
neighbor centroids) möglich.
-
Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren zur
Analyse der Strömungsgeschwindigkeit gemäß einer
Ausführungsforin der vorliegenden Erfindung beschreibt;
-
Fig. 2 zeigt eine Illustration, die die Bewegung einer
Flüssigkeit um ein Objekt zeigt. Dabei bezeichnen die Nummern 11 bis
14 zu messende Partikel.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
-
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung entspricht
bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben.
-
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer
Strömungsgeschwindigkeitsverteilung von Gas um ein Objekt 10. Vier Partikel 11 bis 14
sind als Elemente, welche gemessen werden sollen, gezeigt. Die
Partikel 11 bis 14 sind auf einer Linie senkrecht zur
Oberfläche des Objekts 10 zu einer Zeit t angeordnet und sind
weiterhin zu einer Zeit t + Δt gezeigt, wodurch sich die
fingerförmige Anordnung ergibt. Ersichtlicherweise ist die
Strömungsgeschwindigkeit für Partikel, die nahe dem Objekt 10
sind aufgrund der Viskosität der Flüssigkeit geringer, obwohl
die Partikel 11 und 12, die vom Objekt 10 entfernt liegen, sich
mit gleicher Strömungsgeschwindigkeit bewegen. Die
Geschwindigkeit des Partikels 14 ist daher die geringste von allen.
-
Es ist möglich, die Bewegungsgeschwindigkeiten der Partikel zu
berechnen, um dadurch die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
durch Fotografieren obiger Partikel zu vorgegebenen
Zeitperioden Δt mit einer Kamera und durch Dividieren des
Bewegungsabstandes für jeden Partikel durch die obige Zeitperiode Δt zu
erhalten.
-
Fig. 1 zeigt den Ablauf der Strömungsgeschwindigkeitsanalyse,
wie sie von dem Strömungsgeschwindigkeitsmeßsystem ausgeführt
wird.
-
Eine Kamera, welche in der Figur nicht dargestellt ist, macht
eine Fotografie der Flüssigkeit um das Objekt 10,
beispielsweise jede 1/30 Sekunde. Das oben angegebene
Belichtungszeitintervall wird so kurz wie möglich eingestellt, um dadurch den
Abstand zwischen den Partikeln, d.h. den zu messenden Elementen
und damit die Strömungsgeschwindigkeit, wiedergeben zu können.
In einem Schritt 21 wird ein von einer Kamera eingegebenes
Datenbild analog/digital gewandelt und in einen Computer
eingegeben. Diese eingegebenen Daten stellen digitale Werte dar
und werden in einem Schritt 22 durch Verwendung eines
vorgegebenen Schwellwertes in ein Binärformat gebracht. Im
vorliegenden
Fall werden die Partikel 11 bis 14 (Fig. 2) zu "1"
und die anderen Teile zu "0" bestimmt. Im Schritt 23 wird der
Schwerpunkt (Kern) jedes Partikels durch Dividieren des ersten
Moments jedes Partikels durch seine Fläche berechnet.
-
Gemäß dem oben Gesagten werden die Aufenthaltsorte jedes
Partikels in der Flüssigkeit in einem Speicher eines Computers zu
jeder 1/30 Sekunde registriert. In einem Schritt 24 wird der
Abstand zwischen den nächsten Schwerpunkten jedes Partikels
anhand der Fotografie und der vohergehenden Fotografie von
diesem Partikel erhalten. Dabei zeigt der Abstand zwischen den
nächsten Schwerpunkten den kürzesten Abstand zwischen einem
Schwerpunkt einer Konfiguration zum Schwerpunkt einer anderen
Konfiguration. Wenn ein Partikel betrachtet wird, wird als
dessen Aufenthaltsort zu einem Zeitpunkt, der um 1/30 Sekunde
früher liegt, derjenige Ort angenommen, der mit dem Partikel
übereinstimmt, der bei der vorliegenden Fotografie als der
nächste Nachbar unter allen Partikeln berechnet worden ist.
-
In einem Schritt 25 wird die Geschwindigkeit jedes Partikel
durch Dividieren des Abstands zwischen den nächsten
Schwerpunkten eines jeden Partikels durch eine 1/30 Sekunde
berechnet, nachdem der Ort eines jeden Partikel um eine 1/30
Sekunde vorher berechnet worden ist. Entsprechend wird die
Strömungsgeschwindigkeitsverteilung berechnet.
-
Gemäß dem oben beschriebenen momentanen Ausführungsbeispiel
werden Körper, die sich in der Flüssigkeit befinden, beobachtet
und die Strömungsgeschwindigkeit wird durch eine Analyse
mittels eines Computers, nachdem die Bewegung der obigen
Partikel als Bild erhalten wurden, berechnet. Daher sind bei dem
vorliegenden Strömungsgeschwindigkeitsmeßsystem keine großen
Leistungen für hohe Frequenzen und eine hohe Spannung, wie sie
im Falle der Funkenspurverfolgungsmethode benötigt werden,
notwendig, so daß die Struktur vereinfacht wird. Auch kann eine
Strömungsgeschwindigkeitsverteilung genauer gemessen werden, da
die Flüssigkeit anders als bei der Funkenspurverfolgungsmethode
nicht gestört wird. Daher ist es möglich, eine genaue
Strömungsgeschwindigkeitsverteilung der Grenzschicht zu erhalten.
-
Im folgenden wird ein Beispiel der Brechnung des Abstandes
zwischen nächsten Schwerpunkten (centroids) beschrieben.
-
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Ursprung der
Koordinatenachse auf die obere linke Seite festgelegt. Die y-Achse
verläuft somit nach unten und die x-Achse nach rechts. Die
Koordinaten (x, y) jedes Partikel werden in einer Tabelle in einem
Speicher eines Computers wie folgt eingeschrieben.
Tabelle
-
Entsprechend der obigen Tabelle wird ein y-Koordinatenzug so
angeordnet, daß er monoton zunimmt und der x-Koordinatenzug
wird so angeordnet, daß er für jeden Partikel mit der gleichen
y-Koordinate monoton zunimmt.
-
Somit können die Abstände zwischen den nächsten Schwerpunkten
für jeden Partikel definiert werden, indem jeder Partikel als
Referenzpartikel nacheinander verwendet wird, von dem aus die
Schwerpunktabstände zu anderen Partikeln berechnet werden. Die
Schwerpunktabstände werden nacheinander zwischen dem
Referenzpartikel und den anderen Partikeln vom nächsten zum am
weitesten entfernten berechnet. Dabei bezieht sich "nächster"
auf den nächsten innerhalb der Ordnung der Tabelle, so daß für
das oben angegebene Koordinatensystem der Schwerpunktabstand
nacheinander von demjenigen Wert der y-Koordinate berechnet
wird, der gleich oder am nächsten zu dem als Referenzpartikel
genommenen Schwerpunkt liegt.
-
Beispielsweise werden die Schwerpunktabstände zu anderen
Partikeln in aufsteigender oder absteigender Folge berechnet, wenn
der Partikel, dessen Koordinaten (xk, yk) sind, der
Referenzpartikel ist. Im folgenden wird die aufsteigende Reihenfolge
verwendet. Zuerst wird der Schwerpunktabstand dk,k+1 zwischen
dem Referenzpartikel und dem nächsten Partikel wie folgt
berechnet:
-
Danach werden die Schwerpunktkoordinaten (xk+2, yk+2) des
nächsten Partikels berechnet und der Werte der Koordinaten von
xk, xk+1, xk+2 miteinander verglichen. Falls gilt
-
xk ≥ xk+1 ≥ xk+2 ... (2)
-
oder
-
xk ≤ xk+1 ≤ xk+2 ... (3)
-
wird für die Werte von dk,k+1 und dk,k+2 stets gelten:
-
dk,k+1 ≤ dk,k+2
-
Deshalb wird die Berechnung für dk,k+2 verworfen und es wird
der Wert der nächsten Gruppe berechnet.
-
Auf diese Weise, indem komplexe Berechnungen so oft wie möglich
verworfen werden, wird das Verfahren effizient.
-
Wenn eine der Bedinungen (2), (3) oder beide davon nicht
erfüllt sind, wird dk,k+2 berechnet und der kleinere Wert
zwischen dk,k+1 und dk,k+2 registriert.
-
Danach werden (xk+3, yk+3), (xk+4, yk+4), ..., auf gleiche
Weise wie oben beschrieben berechnet; d.h. mittels einer
Bewertung durch die Bedinungen (2) und (3) und einer Berechnung
des minimalen zeitlichen Abstandes; schließlich wird der
minimale Wert des Abstandes registriert.
-
Nach der Bewertung in auf steigender Reihenfolge wird eine
Bewertung in absteigender Reihenfolge ausgeführt. Für die
Bewertung in absteigender Reihenfolge werden die Formeln (4)
und (5) statt der Formeln (2) und (3) verwendet.
-
xk ≤ xk-1 ≤ xk-2 ... (5)
-
xk ≥ xk-1 ≥ xk-2 ... (4)
-
Wenn die Bewertung in absteigender Reihenfolge begonnen wird,
wird der kleinste Abstand (im folgenden als du,min bezeichnet),
wie er durch die Bewertung in aufsteigender Reihenfolge
erhalten wurde, als Referenzabstand verwendet. Wenn für einen
Abstand dk, k+1 gilt
-
dk,k+1 ≥ du,min
-
werden die Partikel, die den Bedingungen (4) oder (5) nicht
genügen, durch Vergleichen ihrer Abstände mit du,min bewertet,
und sodann der endgültige minimale Abstand registriert und die
nachfolgende Bewertung vorgenommen.
-
Gemäß dem oben Beschriebenen wird der Abstand zwischen den
nächsten Schwerpunkten eines jeden Partikels berechnet.
-
In diesem Fall werden die Bewertungen von aufsteigender
Reihenfolge zu absteigender Reihenfolge ausgeführt, jedoch kann das
gleiche Ergebnis auch in umgekehrter Reihenfolge erhalten
werden.
-
Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung ist es
möglich, eine genaue Strömungsgeschwindigkeit ohne Störungen
der Strömungen mit einem simplen System vorzunehmen.