Particle Image Velocimetry (PIV)

Das PIV-Gerät bietet eine einzigartige Kombination aus einer nicht-intrusiven Messtechnik mit hochauflösender 2D-Geschwindigkeitsmessung durch einen Sprayquerschnitt. Beispiele für vergangene Projekte, bei denen die Particle Image Velocimetry bei Spraying Systems Co. eingesetzt wurde, sind detaillierte Geschwindigkeitsmessungen im Bereich der Austrittsöffnung einer Prototyp-Düse und 2D-Geschwindigkeitsmessungen eines Sprays im Querstrom zur CFD-Validierung.

• Prototyp-Düsencharakterisierung
  Eine Prototyp-Düse wurde von Spraying Systems Co. für einen bestimmten Kunden entwickelt. Um das Design zu bewerten, wollte der Ingenieur die Tröpfchenflugbahnen im Bereich der Austrittsöffnung messen. Die Düse hatte ein einzigartiges Design mit einer externen Aufprallfläche, was ein gesteigertes Interesse an den Tröpfchenbahnen hervorrief. Das PIV wurde verwendet, um einen Querschnitt des Sprays in der Nähe der Aufprallfläche zu beleuchten, und der Winkel des Sprays, der die Aufprallfläche verlässt, wurde gemessen. Mit diesen Informationen konnte der Konstrukteur Modifikationen vornehmen, um die gewünschte Form und Größe der Sprühfahne für den Kunden zu erhalten.

• Spray in Crossflow CFD Validation
  Ein Kunde bat Spraying Systems Co. um eine detaillierte CFD-Modellierung eines Sprays in seiner Anwendung, die ein Crossflow-Gas beinhaltete. Ein Teil dieses Aufwands erforderte eine Validierung der CFD-Methoden und -Ergebnisse, was zum Teil durch die Messung der Position und der Flugbahnen der Sprühtröpfchen beim Austritt aus der Düse und dem Zusammentreffen mit den Querstromgasen erfolgte. Nach der Validierung des Modells wurde die Anwendung, die in einer gefährlichen Umgebung stattfand, zuverlässig modelliert, um dem Kunden eine optimierte Gesamtlösung für das Spray zu liefern.

Das PIV-System verwendet einen gepulsten Laser kurzer Dauer, der durch eine Zerstreuungslinse läuft, um einen planaren Querschnitt des Sprays zu beleuchten. Der kurze Laserimpuls friert die Sprühtröpfchen effektiv ein, während sie abgebildet werden. Die Tröpfchen streuen das Laserlicht, und eine Kamera, die mit dem Laserpuls ausgelöst wird, bildet die Tröpfchen innerhalb der Laserebene ab. An der Kameralinse ist ein Bandpass-Lichtfilter angebracht, der nur Licht der Wellenlänge des Lasers zum CCD-Sensor durchlässt und im Wesentlichen alle Tröpfchen außerhalb der Ebene aus dem Blickfeld entfernt.

Während sich die Tröpfchen innerhalb der Laserebene bewegen, werden Doppelbilder mit einer sehr kleinen und bekannten Zeitverzögerung aufgenommen. Das DaVis-Softwarepaket wird dann verwendet, um eine Reihe von Kreuzkorrelationsalgorithmen auszuführen, um die Verschiebung von kleinen Partikelgruppen zu bestimmen. Die Kombination aus bekannter Verschiebungsstrecke/-richtung und bekannter Zeitverzögerung zwischen den Bildpaaren ermöglicht eine direkte Berechnung der lokalen Geschwindigkeit. Diese Prozedur wird über den gesamten Bildbereich durchgeführt, und es wird eine planare Darstellung des momentanen Geschwindigkeitsfeldes des Tropfens ermittelt. In der Regel werden viele momentane Geschwindigkeitsfelder erfasst und verwendet, um ein Ensemble-Mittelwert-Geschwindigkeitsfeld-Ergebnis zu erzeugen. Typischerweise wird bei PIV-Messungen Wasser als Sprühmedium verwendet.

Das PIV-Gerät liefert ein hoch räumlich aufgelöstes, momentanes Sprühgeschwindigkeitsfeld. Sofortige Ergebnisse können zu Mittelwertdarstellungen gemittelt werden. Das System kann ausgelöst werden, um transiente Sprühentwicklungseffekte über mehrere Zyklen aufzulösen. Die nicht-intrusive Art der Laserblatt-Beleuchtung des Sprühquerschnitts ermöglicht hochwertige planare Sprühgeschwindigkeitsmessungen, die eine detaillierte Beobachtung der zweidimensionalen Sprüheigenschaften ermöglichen.

Das PIV-System liefert keine Informationen zur Tropfengröße; daher wird es oft in Verbindung mit einem der vielen Instrumente zur Messung der Tropfengröße verwendet, um eine zusätzliche Charakterisierung zu ermöglichen.