Particle Image Velocimetry (PIV)

Als „Particle Image Velocimetry“ wird eine bildgebende Messmethode bezeichnet, welche eingesetzt wird, um das Geschwindigkeitsfeld in einer Strömung zu ermitteln. Ein typischer Messaufbau besteht aus einem gepulsten Laser mit Lichtschnittoptik, einer Kamera und einem Computer, welcher sowohl zur Synchronisation der einzelnen Komponenten verwendet wird, als auch die rechenintensive Auswertung der Messergebnisse übernimmt. Da mit der Kamera das von der Strömung gestreute Licht aufgenommen wird, ist es in den meisten Fällen erforderlich, der Strömung Partikel beizumengen. Dabei müssen die Partikel ein möglichst gutes Strömungsfolgevermögen aufweisen und dürfen die Strömung selbst nicht beeinflussen, damit die Messergebnisse nicht verfälscht werden. Dies hat zur Folge, dass kleine Partikel mit einem mittleren Durchmesser von ca. 1 µm verwendet werden, was den Einsatz eines leistungsstarken Lasers erforderlich macht. Durch eine exakte Synchronisation von Laser und Kamera wird erreicht, dass zwei Bilder mit einem kurzem Zeitabstand Δt hintereinander aufgenommen werden können. Aus diesen Bildpaaren wird im nächsten Schritt, durch Einsatz eines geeigneten Korrelationsverfahrens, die Verschiebung der Partikel von einer Belichtung zur nächsten ermittelt. Zusammen mit dem bekannten Zeitabstand Δt zwischen den Einzelbelichtungen wird hieraus schließlich die Strömungsgeschwindigkeit berechnet.

Der beschriebene Messaufbau eignet sich zur Untersuchung des Strömungsfeldes in einer Ebene und erlaubt somit die Bestimmung von zwei Geschwindigkeitskomponenten. Wird das Messsystem jedoch um eine weitere Kamera erweitert, kann bei geeigneter Anordnung der Kameras, auch die dritte Geschwindigkeitskomponente innerhalb des Lichtschnitts erfasst werden. Dieser Messaufbau wird üblicherweise als stereoskopische PIV bezeichnet.

Neben der Tatsache, dass die Methode eine berührungslose und damit störungsfreie Messung der Strömungsgeschwindigkeit erlaubt, liegt der größte Vorteile dieses Verfahrens im Informationsgehalt.  Während die meisten verfügbaren Messmethoden nur eine punktuelle Messung der Strömungsgeschwindigkeit ermöglichen, wird bei der „Particle Image Velocimetry“ aus nur einer Doppelbildaufnahme gleich ein ganzes Geschwindigkeitsfeld bestimmt. Dadurch ist das Verfahren besonders gut zur Verifizierung von Strömungssimulationen oder zur Generierung von Randbedingungen geeignet.

Anwendungsgebiete:

Einzelbelichtung eines Toruswirbels. Gut zu erkennen ist das von den Seeding-Partikeln gestreute Licht.
Zeitlich gemitteltes Geschwindigkeitsfeld eines Toruswirbels. Die Strömungsgeschwindigkeit ist in Falschfarben dargestellt.