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Particle Image Velocimetry

Particle Image Velocimetry (PIV):
Holografische Erfassung dreidimensionaler Strömungsfelder

Prinzip der Geschwindigkeitsmessung mittels Particle Image Velocimetry (PIV)

In der PIV werden der Strömung Tracerteilchen zugesetzt, die durch einen Doppelpuls beleuchtet werden. Das Streulicht eines Lichtschnitts wird dann fotografisch aufgezeichnet. So erhält man scharf erfaßte Teilchenpaare, aus denen sich bei bekanntem Pulsabstand Richtung und Betrag der Teilchenverschiebung und somit zweidimensionale Geschwindigkeitsvektoren bestimmen lassen [1,2].

Es ist sofort ersichtlich, warum diese Technik zunächst auf nur zwei Dimensionen begrenzt wird. Wird ein Teilchenfeld in der Tiefe ausgeleuchtet, so erhält man Streulicht aus dem gesamten Volumen, die Tiefenzuordnung des jeweiligen Streulichts bereitet Schwierigkeiten. Um dieses Problem zu umgehen, wird bei der zweidimensionalen PIV der Strahl eines Pulslasers zu einem Lichtschnitt geformt. Nun erhält man hauptsächlich Streulicht aus einer klar definierten Ebene im Strömungsvolumen, die leicht zu lokalisieren ist.

Wird das Streulicht der Doppelteilchen mit einer CCD-Kamera aufgezeichnet, so können in diesem zweidimensionalen Schnitt die Verschiebungsvektoren durch Korrelationstechniken im Rechner ermittelt werden.

Bild

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Erweiterung auf 3 Dimensionen: Holographic Particle Image Velocimetry (HPIV)

Soll das Prinzip der PIV auch in drei Dimensionen angewendet werden, muß das Streulicht aus einem tiefen Volumen scharf abgebildet werden, gleichzeitig muß die Tiefenzuordnung der Tracer möglich sein.

Dies läßt sich mit holografischen Aufzeichnungstechniken realisieren. Das Streulicht der Tracer wird als Objektlicht an dem Ort der Hologrammplatte mit einem Referenzstrahl überlagert. Damit hat man das gesamte Teilchenfeld holografisch erfaßt und kann es nach Entwicklung des Hologramms mit dem entsprechenden Referenzstrahl rekonstruieren und auswerten. Wird das Hologramm mit einem Doppelpuls aufgenommen, so können mit Hilfe des Referenzstrahls entsprechend die Doppelteilchen rekonstruiert werden.

Die Bilder der Doppelteilchen im tiefen Volumen sollen analog zur zweidimensionalen PIV schichtweise ausgewertet werden. Mit Hilfe einer Kamera werden hintereinander liegende Ebenen getrennt voneinander abgebildet und mit Korrelationstechniken ausgewertet [3].

Unterdrückung von Streulicht außerhalb der Fokusebene: Light-in-Flight (LiF) HPIV

Wird das Hologramm mit großer Kohärenzlänge aufgezeichnet, so wird bei der Beleuchtung des Hologramms mit dem Referenzstrahl das Streulicht der Tracerpartikel aus dem gesamten ausgeleuchteten Volumen rekonstruiert. Bei der Fokussierung auf eine Ebene innerhalb des Strömungsvolumens erhält man deshalb unweigerlich auch immer Streulicht aus Bereichen außerhalb der Fokusebene. Die scharf abgebildeten Teilchenbilder werden mit einen Rauschhintergrund überlagert, der die Auswertesicherheit des Verfahrens verschlechtert.

Die holografische Aufzeichnung beruht auf der Interferenz von Objekt- und Referenzstrahl an dem Ort der Hologrammplatte unter der Bedingung, daß der Weglängenunterschied zwischen den beiden Strahlen kleiner ist als die Kohärenzlänge der benutzten Lichtquelle. Wird bei der holografischen Aufzeichnung nun eine kurze Kohärenzlänge und ein schräg einfallender Referenzstrahl verwendet, so wird an jeder Stelle der Hologrammplatte nur das Objektlicht gespeichert, das von einer begrenzten Schicht im Objektraum stammt, die die Bedingung des maximalen Weglängenunterschieds erfüllt. Objektlicht aus anderen Volumenbereichen wird bei der holografischen Rekonsturktion des aufgezeichneten Bildes unterdrückt. Somit kann bei der Rekonstruktion schichtweise ausgewertet werden, ohne daß die Information innerhalb dieser Schicht durch einen Rauschhintergrund aus einer anderen Position in der Tiefe überlagert wird. Eine ähnliche Technik findet unter dem Stichwort Köharenzradar in der Formvermessung oder als optische Kohärenztomographie (OCT) Anwendung. Ihren Ursprung hat sie in der Light-in-Flight Holografie, die die Visualisierung von der Ausbreitung optischer Wellenfronten im Raum ermöglicht und somit als Hochgeschwindigkeitskamera dient [4].

Sheet

Literatur (neuere Literatur siehe hier)

  1. Hinsch, K. D.: Particle Image Velocimetry. In: Sirohi, R. S. (ed.): Speckle Metrology, Marcel Dekker, New York, 235-324, 1993.
  2. Kompenhans, J., Raffel, M., Willert, C. E.: Particle Image Velocimetry - A practical Guide, Springer, 1997.
  3. Hinsch, K. D.: Three dimensional particle velocimetry. In: Dracos, T. (ed.): Three-dimensional velocity and vorticity measuring and image analysis techniques, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 129-152, 1996.
  4. Abramson, N.: Light-in-Flight or the Holodiagram: The Columbi egg of Optics, SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Wash. 1996.

Kontakt: klaus.hinscygh@vssguoptkfl.declb

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