Particle Image Velocimetry
Particle Image Velocimetry (PIV) ist ein berührungsloses optisches Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in der Strömungsmechanik. In kurzem zeitlichen Abstand werden Partikel im Fluid fotografiert. Aus den Partikelpositionen auf den Bildern kann die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit näherungsweise gemittelt werden.
Prinzip
Einem zu untersuchenden Fluid werden kleinste Partikel zugesetzt. Bei Strömungsanalysen in Wasser werden meist mikroskopisch kleine, mit Luft gefüllte Glaskugeln verwendet. Ebenso geeignet sind Kunststoffpartikel aus Polyamid. In Gasen werden die Partikel beispielsweise aus herkömmlichem Speiseöl oder einem Testfluid wie DEHS mittels Druckluft erzeugt. Der Durchmesser der Partikel liegt zwischen 0,5 und 50 Mikrometer. Die Dichte der Partikel sollte ähnlich der Dichte des zu untersuchenden Fluids gewählt werden. Ein zu einer Ebene aufgeweiteter Laserstrahl beleuchtet in einer Ebene die Partikel pulsierend. Während eines Pulses werden in kurzem Abstand zwei Bilder geschossen. Meist werden hierzu zwei CCD-Chips einer Kamera verwendet. Der zeitliche Abstand der Auslöseverzögerung muss an die Hauptströmungsgeschwindigkeit angepasst werden. Je schneller die Strömung ist, umso kürzer muss der Abstand der Auslöseverzögerung gewählt werden. Die Partikel bewegen sich in der Zeit zwischen den beiden Bildern mit der lokalen Strömungsgeschwindigkeit. Das von den Partikeln reflektierte Licht der beiden Pulse wird mit einem Objektiv auf den CCD-Sensor einer Kamera abgebildet und anschließend digital weiterverarbeitet.
Zweibildverfahren
Für jeden Lichtpuls wird ein eigenes Bild der strömenden Partikel aufgenommen. Die Ermittlung der Geschwindigkeitskomponenten in der Bildebene gelingt durch die Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen benachbarten Bildbereichen in beiden Bildern. Mit den Methoden der Photogrammetrie kann die Kamera kalibriert werden, damit die Bewegung aus den Bildkoordinaten in räumliche Koordinaten umgerechnet werden kann.
Einzelbildverfahren
Eine Variante des Verfahrens arbeitet mit einem einzelnen Bild für die Auswertung. Die Intensität des Beleuchtungspulses wird dabei während der Belichtung des Bildes variiert. Dadurch zeichnet jedes Teilchen durch seine Bewegung eine Spur im Bild, deren Helligkeit zwischen Anfang und Ende abnimmt. Der Spur kann somit eine Richtungs- und Geschwindigkeitsinformation zugeordnet werden. Die nachfolgende 3-D-Auswertung erfolgt genau wie beim Zweibildverfahren.