Untersuchung großskaliger Strömungsstrukturen in erzwungener und gemischter Konvektion mit der tomografischen Particle Image Velocimetry

Kühn, Matthias GND

This experimental oriented thesis deals with the development and application of a tomographic particle image velocimetry (tomographic PIV or Tomo-PIV) system for measurement volumes of the order of one cubic metre employing Helium-filled soap bubbles as tracer particles. The system allows investigations of large-scale flow structures in air. Compared to existing tomographic PIV-systems, which are applied to rather small measurement volumes with e.g. 1 µm large oil droplets as tracer particles, the developed system has several specific characteristics. They are caused by the optical properties of the soap bubbles and the considerable change of magnification factor in cameras viewing direction. In the thesis, it is demonstrated that soap bubbles despite their optical characteristics can be used as tracer particles in tomographic PIV. In order to accomplish this a complete tomographic PIV evaluation software is developed, which is optimised for fast and memory-saving evaluation of a large amount of single samples. The development of the algorithm is discussed in detail in the thesis. Furthermore, the application of the system to the flow in a thermal convection cell and the statistical analysis of the measured flow fields shows the applicability of the system to measure three-dimensional large-scale flow structures in forced and mixed convection. The comparison of the measurement data to planar PIV data reveals that the identified characteristics have no significant influence on the accuracy of the presented tomographic PIV-measurements.

Die experimentell ausgerichtete Arbeit umfasst die Entwicklung und Anwendung eines tomografischen Particle Image Velocimetry (tomografische PIV oder Tomo-PIV) Systems mit Messvolumen der Größenordnung eines Kubikmeters bei dem Helium-gefüllte Seifenblasen als Impfpartikel eingesetzt werden. Das Messsystem ermöglicht die Untersuchung großskaliger Strömungsstrukturen in Luft. Gegenüber bestehenden tomografischen PIV-Systemen, die zur Vermessung der Strömung in kleinen Messvolumen mit beispielsweise 1 µm großen Öltröpfchen als Impfpartikel eingesetzt werden, weist das System einige Besonderheiten auf. Deren Ursache sind die optischen Eigenschaften der Seifenblasen und die erhebliche Änderung des Abbildungsmaßstabs in Blickrichtung der Kameras. In der Arbeit wird experimentell nachgewiesen, dass die Seifenblasen trotz ihrer optischen Besonderheiten als Impfpartikel für die tomografische PIV eingesetzt werden können. Dazu wird ein kompletter tomografischer PIV-Auswertealgorithmus entwickelt, der für die schnelle und speichersparende Auswertung einer großen Anzahl an einzelnen Messungen optimiert ist. Die Entwicklung dieses Algorithmus wird detailliert in der Arbeit diskutiert. Des weiteren wird mit dem Einsatz des Messsystems in einer thermischen Konvektionszelle und durch die statistische Analyse der gemessenen Strömung die Anwendbarkeit des Systems für die Untersuchung von drei-dimensionalen großskaligen Strömungsstrukturen in erzwungener und gemischter Konvektion nachgewiesen. Der Vergleich der Messdaten mit planaren PIV-Daten zeigt zudem, dass die identifizierten Besonderheiten keine wesentliche Auswirkung auf die Genauigkeit der vorgestellten tomografischen PIV-Messungen haben.

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Kühn, Matthias: Untersuchung großskaliger Strömungsstrukturen in erzwungener und gemischter Konvektion mit der tomografischen Particle Image Velocimetry. 2011.

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