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FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik
Messen von 3-dimensionalen Strömungen mit LDA und PIV
Raimund Schledde Strömungsmechanik, HdT Essen, 5./6.03.2007
Dipl.-Ing. Raimund Schledde
• Optischer Aufbau • Kalibrierung • Auswertung • Partikelzugabe • Lasersicherheit
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Optischer Aufbau für 3D Messungen
• Das Messen von 3 Komponenten erfordert 3 Strahlenpaare- Zwei Paare von einer 2D Optik- Ein Paar von einer 1D Optik
• Beide Messvolumen werden zueinander justiert
• Die Geschwindigkeitskomponenten der 2D Sonde stehen senkrecht zueinander
• Die dritte Komponente wird softwareseitig zur Z-Achse umgerechnet
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Messvolumenjustierung bei 3D Anordnung
• Die gemeinsame Justierung erfordert eine µm genaue Einstellung
• Lochblenden oder Linsenjustierung
• Feinjustierung mit CCD Chip
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3D FlowLite kompakt LDA
• 2D + 1D Optiken• Verschiedene Optikköpfe• Sehr kompakt• 1-3D Konfiguration mit roten,
grünen, blauen oder IR- Lasern
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LDA Standard Glasfaseroptik
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Integrierte Miniatur 3D FiberFlow Sonde
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3D LDA Konfigurationen, Luft
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3D LDA Konfigurationen, Wasser
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3D LDA Anwendungen
• Messen von Grenzschichtablösungen in Windkanälen• Turbulenzmischung bei Flammenuntersuchungen im Bereich Verbrennung• Grenzschicht-Interaktionen und Instabilitäten in Turbinen• Allg. Untersuchungen von Strömungsstrukturen und Instabilitäten in
Wärmetauschern• Konvektions- und Kühlungsvorgänge in Reaktoren• Vermessung von Schiffsmodellen im Schlepptank
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5-Strahl and 6-Strahl FiberFlow Optiken
• F = 240 mm:• 5-Strahl: 6,50• 6 Strahl: 3,78
3
2
1
02sin2
12sin2
1
100
02cos2
12cos2
1
uuu
wvu
uu1
u 2
u3
v
w
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5- oder 6-Strahl Optik?
• 3D Messungen durch kleine Fenster– Strömungsmaschinen– Turbinen– Pumpen– Wasserrinnen
• Luftströmung: 6-Strahloptik – Bessere Geschwindigkeitsauflösung
• Wasserströmung, Sonde in Luft: 5-Strahloptik – Bewahrung des Schnittvolumens bei Traversierung
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Grundlagen der Stereobetrachtung
Die wahre 3D Verschiebung (X,Y,Z) wird aus dem Ergebnis zweier 2D Verschiebungen (x,y) ermittelt, wie sie von der linken und rechten Kamera geliefert werden
45° 45°
Truedisplacement
Displacementseen from left
Displacementseen from right
Focal plane =Centre oflight sheet
Leftcamera
Rightcamera
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Die Aufnahme von Stereo PIV Images
Scheimpflu
g Bedingung
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Kamerakalibrierung
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Komponenten eines 3D-PIV Systems• Seeding
• PIV-Laser(Double-cavity Nd:Yag)
• Lichtführungsarm &Lichtschnittoptik
• 2 Kameras und Scheimpflugmontage
• PIV- Datenerfassungs und Speichersystem
• Kalibriertarget
• 3D PIV Software incl. Zusatzoptionen, Traversierung,Analogeingang, etc.
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Linkes und rechtes 2D VektorbildSimultane Aufnahme der Kamerabilder links und rechts
Herkömmliches PIV Verarbeitungsverfahren der 2D Vektorbilder. Darstellung des Strömungsfeldes wie es von rechts und links gesehen wird.
Beide Vektorbilder werden punktweise “resampled”, entsprechend der Interrogation Area.
Verbinden der links/rechts Ergebnisse, zur 3D Darstellung
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Messungen bei Daimler-Chrysler
Ergebniss: Mittelung über 100 Bilder
3. Komponente wird durch die Farbe dargestellt
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Stereo Rekonstruktion
Data base software
Gemessene 2D Projektionen 3-komponeneten Rekonstruktion
Linkes Vektor-bild
Rechtes Vektor-bild
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Fahrzeugmessungen im Originalmaßstab54
0 m
m1600 mm
Volkswagen AG
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Gesamtaufbau eines 3D PIV Systems
y z
xApplication P C
Laser
Encoder
Cam
era
shut
ter
Traverse controlTrigger
F low M apAcquisition &Control Unit
Contro l
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Lasersicherheit • Dieser Vortrag ist keine Einführung in die Lasersicherheitsgesetze, etc. • Ein praktischer Ratgeber für jeden Betreiber, Kollegen, und die weitere
Umwelt
Vergleich zum Autofahren:• Straßenverkehrsgesetz• Wie fahre ich mein Auto sicher
und umsichtig
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Allgemeine “Verkehrsregeln”
• Schaue niemals direkt in einen Laserstrahl
• Entferne reflektierende Objekte aus dem Arbeitsbereich (Spiegel, verchromte Teile, Uhren, Ringe, etc.)
• Werkzeuge und Arbeitsflächen sollten schwarz mattiert sein
• Laserschutzbrillen wenn immer möglich besonders bei unsichtbaren Lasern
• Schalte das Laserlicht aus wenn nicht gemessen wird
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Lasersicherheit in der Praxis
• Sicherheit in 4 Phasen– Persönliche Sicherheit– Umgebungssicherheit– Sicherheit während des Aufbaus und der Justierung– Sicherheit für Besucher und Kollegen
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Persönliche Sicherheit• Entferne Armbanduhren und Juwelen VOR Beginn !• Mache dich mit dem Notaus oder anderen Sicherheitseinrichtungen vertraut• Sei besonders vorsichtig wenn normale Brillen getragen werden• Arbeite niemals mit Lasern bei Überanstrengung • Benutze die richtigen Schutzbrillen
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Verhalten
• Sei dir immer bewußt wo Laserlicht ist und evtl. Reflektionen• Benutze die Kenntnis und arbeite mit dem Rücken zum Licht ! (auch wenn
der Laser AUS ist !)
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Ein paar Beispiele von ”Do not”• Verschließe NIEMALS die Tür – es ist gefährlich (und evtl. verboten –
Feuerschutz)• Lasse NIEMALS einen eingeschalteten Laser allein im Raum – Es ist gefährlich
für andere Personen ( man macht das auch nicht mit dem Auto)• Keine Kompromisse bei unsichtbarem Licht
Unsichtbares Licht erfordert 100% Aufmerksamkeit, z.B.: – 100% sichere Abschirmung – 100% sichere Schutzbrillen