Zastosowanie metody PIV do analizy pola prędkości w obszarze konwekcji mieszanej

1. Akademia Górniczo-Hutniczaim. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Zastosowanie metody PIV do analizy pola prędkości w obszarze konwekcji mieszanej Łukasz Zwaliński opiekun: dr inż. Marek Jaszczur

2. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Cel pracy: • zastosowanie metody PIV (Particle Image Velocimetry) do analizy pola prędkości w obszarze konwekcji mieszanej • optymalizacja wybranych parametrów metody PIV, od których zależy jej dokładność • wyznaczenie pól prędkości płynu dla dostępnych danych pomiarowych • przegląd literatury naukowej dotyczącej metod pomiaru prędkości płynów

3. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Zastosowanie metody PIV … Podział metod pomiaru prędkości płynu: Inwazyjne: • Anemometria (termoanemometria) • Rurka Prandtla Bezinwazyjne: • Laserowa anemometria wieloogniskowa (LTA) • Dopplerowska anemometria laserowa (LDA) • Anemometria laserowa wykorzystująca indukowaną fluorescencję przepływu (LIF) • Cyfrowa anemometria obrazowa (PIV)

4. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … PIV- cyfrowa anemometria obrazowa • PIVto najnowszy sposób pomiaru pola prędkości z grupy dostępnych metod optycznych, nieinwazyjnych, • metoda pozwala na znalezienie wektorów prędkości poruszającego się płynu przy zastosowaniu korelacji obrazów zarejestrowanych kamerą lub aparatem fotograficznym, • metoda - zbierając dane w sposób wielopunktowy - dostarcza natychmiast informacji o polu prędkości, • rejestrowane sąpozycje cząstek posiewu domieszkowanych do przepływu, charakteryzujących ruch płynu (polyestyren, szklane sfery, oleje, ciekłe kryształy, bąbelki tlenu), • metoda pozwala na precyzyjny pomiar pola prędkości 2 lub 3 składowych wektora

5. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Podstawowe wymog i zastosowania PIV: • optycznie przeźroczysty ośrodek pomiarowy, • impulsowe lub ciągłe źródło światła, • medium rejestrujące obraz(aparat fotograficzny, kamera CCD), • komputer służący do obróbki danych.

6. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Podstawowe parametry, od których zależy dokładność wyznaczania pola prędkości metodą PIV: • intensywność światła (pikseli), • czułość i rozdzielczość optyki pomiarowej, • rozmiar okna pomiarowego, • maksymalna wielkość rejestrowanego przemieszczenia, • charakter ruchu płynu, • parametry posiewu, • dobór odstępu czasowego między rejestrowanymi obrazami.

7. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Schemat układu pomiarowego: naczynie pomiarowe objętość pomiarowa t + t PC tafla świetlna t źródło światła cross-korelacja t oraz t + Dt lub auto-korelacja obraz zarejestrowany przez kamerę y z x kamera CCD pole prędkości

8. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Procesy korelacji obrazów. Analiza pojedynczej ramki/podwójnie eksponowanej- metoda auto-correlation. Analiza dwóch ramek/ pojedynczo eksponowanych - metoda cross-corelation.

9. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Opis stanowiska pomiarowego.

10. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Wyznaczenie pól prędkości płynu dla dostępnych danych pomiarowych • ruch domieszkowanych ciekłych kryształów w cylindrycznym naczyniu pomiarowym dla konwekcji naturalnej i mieszanej

11. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Optymalizacja metody PIV • dobór rozmiaru podregionu analizowanego obrazu, będącego przedmiotem auto/cross-korelacji • analiza wpływu nakładania się okien podregionów (overlapping) na wynik korelacji • dobór parametrów funkcji eliminacji wektorów błędnych

12. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Wyniki obliczeń dla różnego rozmiaru podregionu obrazu: ta= 10,32 s 64x64 piksele 32x32 piksele cross-korelacja tb= 10,40 s 16x16 pikseli 8x8 pikseli

13. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … analiza wyłącznie rozmiaru podregionu – optymalny rozmiar 32x32 pikseli • po - optymalizacji funkcji eliminacji wektorów błędnych - zastosowaniu techniki nakładania podregionów optymalny rozmiar 32x32 pikseli z 50% nakładaniem podregionów  16x16 pikseli 64x64 piksele 32x32 piksele 16x16 pikseli 8x8 pikseli 32x32 piksele 50% overlap

14. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Wyniki obliczeń dla konwekcji naturalnej, Gr=92 444, Re =0 t = 2,4 s t = 7,2 s t = 10,4 s t = 14,4 s

15. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=92 444, Re =10 t = 372 s t = 410 s t = 940 s t = 948 s

16. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=92 444, Re =10 t = 1544 s t = 1548 s t = 1550 s t = 1556 s

17. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=115 555, Re=5 t = 458 s t = 914 s t = 944 s t = 1548 s

18. Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … Podsumowanie • Dokonano przeglądu literatury, dotyczącej aktualnie dostępnych metod pomiaru prędkości płynu. • Wybrano optymalne parametry metody PIV dla obliczenia pola prędkości poprzez auto i cross–korelację. • Wyznaczono serię pól wektorowych dla wybranego przepływu - przedstawiono zmiany struktury przepływu w czasie dla konwekcji naturalnej i mieszanej.