PIV – Particle Image Velocimetry

PIV (Particle Image Velocimetry) ist ein Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluiden. Das Verfahren arbeitet rein optisch und ist daher ein berührungsloses Messverfahren; die zu untersuchende Strömung wird nicht beeinflusst. Die Messung des Geschwindigkeitsfeldes beruht auf der Bestimmung der Verschiebung von Partikeln (Blasen, Seeding-Partikel) in der Strömung um einen Weg ΔS innerhalb eines Zeitraumes Δt. Die Verschiebung ΔS wird durch zwei photographische Aufnahmen der Partikelbilder erfasst, die in einem sehr kurzen Zeitabstand Δt aufgenommen werden. Die Partikel im Fluid werden dabei durch sehr kurze Laserblitze beleuchtet. Aus der Verschiebung der Partikelbilder im Zeitraum Δt können mit stochastischen Verfahren die Geschwindigkeitsvektoren des Fluids am Ort der Partikel berechnet werden. Bei Verwendung von zwei Kameras kann mit stereoskopischen Aufnahmen sogar ein 3-dimensionales Strömungsfeld bestimmt werden, d.h. alle drei Geschwindigkeitskomponenten sind anschließend im Messbereich verfügbar.

Das Verfahren ist sehr vielseitig einsetzbar. An der SVA Potsdam wurden damit bisher u.a. folgende Messaufgaben bearbeitet:

• Strömungsfelder im Nachlauf von Schiffsmodellen mit und ohne arbeitendem Propeller
• Ruderumströmungen mit Spaltströmung
• Zerfall von Wirbeln an einem Tragflügelmodell
• Wirbelumströmung von Schlingerkielen
• Propellerstrahl eines Thrusters an einer Halbtaucherplattform
• Propellerstrahl im Kavitationstunnel
• Umströmung und Nachlauf eines U-Bootmodells mit Turm
• Profilumströmung im Kavitationstunnel

Mit PIV wird bei jeder Aufnahme das ganze Geschwindigkeitsfeld gemessen. Aus den Einzelaufnahmen kann die transiente Entwicklung der Strömung visualisiert werden, aber auch ein mittleres Geschwindigkeitsfeld durch Mittelung aller Aufnahmen bestimmt werden. Die gewünschte räumliche Auflösung bestimmt dabei die Größe des Sichtfeldes und die erreichbare Anzahl der Vektoren im Messbereich. Der größte an der SVA Potsdam bisher realisierte Messbereich hatte eine Ausdehnung von ca. 400×600 mm, in diesem Falle mit ca. 6000 Vektoren. Die SVA Potsdam setzt bereits seit 2006 ein stereoskopisches PIV-System der Firma TSI ein. Es ist modular aufgebaut, sodass alle symmetrischen, asymmetrischen und vollständig getrennten Anordnungen von Kameras und Lichtschnitt realisierbar sind. Damit ist z. B. eine Messung über die ganze Tiefe der Schlepprinne möglich.

Lesen Sie hier mehr zu den technischen Spezifikationen des 3D-PIV-Systems.