Deeltjesbeeldsnelheidsmeting (PIV)

Het PIV-instrument biedt een unieke combinatie van een niet-intrusieve meettechniek met hoge-resolutie 2D snelheidsmeting door een spuitdwarsdoorsnede. Voorbeelden van projecten uit het verleden waarbij gebruik gemaakt werd van deeltjesbeeldsnelheidsmeting bij Spraying Systems Co. zijn onder andere gedetailleerde snelheidsmetingen in de buurt van de uitgangsopening van een prototype spuitdop, en 2D snelheidsmeting van een spuitdop in de dwarsstroom voor CFD validatie.

• Karakterisering van het prototype van de spuitdop
  De firma Spraying Systems Co. heeft voor een bepaalde klant een prototype van een spuitdop ontwikkeld. Om het ontwerp te evalueren, wilde de ingenieur de druppelbanen in de buurt van de opening van de opening meten. De spuitdop had een uniek ontwerp met een extern sproeivlak, waardoor de belangstelling voor de druppelbanen toenam. De PIV werd gebruikt om een dwarsdoorsnede van de spuitnevel in de buurt van het botsoppervlak te belichten, en de hoek van de spuitnevel die het botsoppervlak verlaat, werd gemeten. Met deze informatie kon de ontwerpingenieur wijzigingen aanbrengen om de gewenste vorm en grootte van de nevelpluim voor de klant te verkrijgen.

• Nevel in kruisstroom CFD-validatie
  Een klant vroeg Spraying Systems Co. om een gedetailleerde CFD-modellering uit te voeren van een nevel in hun toepassing, die een kruisstroomgas omvatte. Een deel van deze inspanning vereiste een validatie van de CFD-methoden en resultaten, wat gedeeltelijk gedaan werd door de plaats en de banen van de sproeidruppels te meten toen zij de spuitdop verlieten en de dwarsstromende gassen raakten. Na validatie van het model kon de toepassing, die in een gevaarlijke omgeving plaatsvond, met vertrouwen gemodelleerd worden om de klant een geoptimaliseerde totale verstuivingsoplossing te bieden.

Het PIV systeem gebruikt een korte pulserende laser, die door een divergerende lens gaat, om een vlakke dwarsdoorsnede van de nevel te belichten. De korte laserpuls bevriest de neveldruppels op hun plaats terwijl zij worden afgebeeld. De druppels verstrooien het laserlicht, en een camera, die met de laserpuls wordt geactiveerd, filmt de druppels binnen het laservlak. Op de lens van de camera is een band-pass lichtfilter bevestigd, dat alleen licht van de golflengte van de laser doorlaat naar de CCD-sensor, zodat in wezen alle druppels buiten het laservlak uit het beeld verdwijnen.

Terwijl de druppels zich binnen het laservlak verplaatsen, worden met een zeer kleine en bekende tijdvertraging beelden van twee frames verkregen. Het softwarepakket DaVis wordt dan gebruikt om een reeks cross-correlatie-algoritmen uit te voeren om de verplaatsing van kleine groepen deeltjes te bepalen. De combinatie van een bekende verplaatsingsafstand/richting en een bekende tijdvertraging tussen beeldparen maakt een directe berekening van de plaatselijke snelheid mogelijk. Deze procedure wordt over het gehele beelddomein uitgevoerd, en er wordt een vlakke voorstelling van het momentane druppelsnelheidsveld bepaald. Over het algemeen worden vele momentane snelheidsvelden verkregen en gebruikt om een ensemble-gemiddeld snelheidsveldresultaat te genereren. Gewoonlijk wordt water gebruikt als sproeimedium tijdens PIV-metingen.

Het PIV-instrument levert een instantane nevelsnelheidsveld met hoge ruimtelijke resolutie. De ogenblikkelijke resultaten kunnen ensemble-gemiddeld worden tot gemiddelde waarden. Het systeem kan in werking worden gesteld om de voorbijgaande effecten van de nevelontwikkeling over meerdere cycli op te lossen. De niet opdringerige aard van de belichting van de dwarsdoorsnede van de nevel door de laser maakt snelheidsmetingen van de vlakke nevel van hoge kwaliteit mogelijk, waardoor een gedetailleerde waarneming van de tweedimensionale kenmerken van de nevel mogelijk wordt.

Het PIV-systeem geeft geen informatie over de grootte van de druppels; daarom wordt het vaak gebruikt in combinatie met een van de vele instrumenten voor het meten van de grootte van de druppels om aanvullende karakterisering te verschaffen.