Akademia Górniczo-Hutnicza im Akademia Górniczo-Hutnicza im. 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

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

Podział metod pomiaru prędkości płynu: 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)

PIV - cyfrowa anemometria obrazowa Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … PIV - cyfrowa anemometria obrazowa PIV to 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 są pozycje 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

Podstawowe wymog i zastosowania PIV: 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.

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.

Schemat układu pomiarowego: 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 z y x kamera CCD pole prędkości

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

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

Wyznaczenie pól prędkości płynu dla dostępnych danych pomiarowych 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

Optymalizacja metody PIV 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

Wyniki obliczeń dla różnego rozmiaru podregionu obrazu: 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

optymalny rozmiar 32x32 pikseli z 50% nakładaniem podregionów Lukasz Zwaliński Zastosowanie metody PIV … 64x64 piksele 32x32 piksele 16x16 pikseli 8x8 pikseli 32x32 piksele 50% overlap 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

Wyniki obliczeń dla konwekcji naturalnej, Gr=92 444, Re =0 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

Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=92 444, Re =10 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

Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=92 444, Re =10 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

Wyniki obliczeń w obszarze konwekcji mieszanej dla Gr=115 555, Re=5 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

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.