Particle Image Velocimetry (PIV) mérőberendezés használata sebességmérésre
NYILATKOZAT Alulírott.. a PIV mérőberendezés használatáról szóló oktatást megkaptam, az abban foglaltakat tudomásul veszem. A mérés alatt a lézer használata során körültekintően kell eljárni, a védőeszközökre vonatkozó szabályokat és a laborvezető utasításait be kell tartani. A lézer használata saját felelősségre történik. Kelt: Budapest, 2009..
Particle Image Velocimetry (PIV) mérőberendezés használata sebességmérésre A gyakorlat célja A gyakorlat során áramlási sebesség mérését végezzük el plexiüveg tartályban PIV (Particle Image Velocimetry) mérőberendezés segítségével. A mért adatokat a mérőberendezés szoftverével dolgozzuk fel. A mérés célja különböző hőmérsékletű közegek keveredésének meghatározása. PIV alkalmazása sebességmérésre A Particle Image Velocimetry (PIV, részecske-képen alapuló sebesség-meghatározás) egyre népszerűbb, korszerű méréstechnikai módszer. Előnyei az alábbiak: - Beavatkozás-mentes (az áramlás megzavarása nélül mérhetünk); - A teljes áramlási tér befogható egyszerre; - 2D (sztereó PIV berendezéssel 3D!) sebesség-mező mérhető egy méréssel; - Könnyen kiterjeszthető koncentráció / hőmérséklet mérésre is; - Méréshez könnyen igazítható, kompakt elrendezés. A PIV módszer hátrányai között elsősorban a magas árat kell megemlítenünk. A PIV mérés elve azon alapul, hogy a mérendő áramló folyadék sebessége helyett a közeghez adagolt, azzal együtt áramló kisméretű részecskék sebessége is meghatározható. Ehhez a folyadékéval nagyjából megegyező sűrűségű nyomjelző részecskékre van szükség, a gyakorlatban ehhez néhány mikron átmérőjű poliamid/polisztirol szemcséket alkalmaznak. A nyomjelző szemcsék sebességének meghatározása lézeres sebességméréssel történik. A mérés során nagy sebességű impulzus üzemű lézerrel rövid időre megvilágítjuk a folyadékot, és digitális kamerával rögzítjük a nyomjelző részecskéken szóródott lézerfényt. Amennyiben két, egymást követő lézer-felvillanás között igen kis idő (~ms) telik el, statisztikai módszerrel meghatározható az egyes szemcsék elmozdulása az eltelt idő alatt, így a megvilágított terület sebességmezője meghatározható. A mérés elvi elrendezése az 1. ábrán látható. Nagy sebességű impulzus lézerként leggyakrabban két lézerfejből álló (duál) lézert alkalmazunk, így igen kicsire csökkenthető a két felvillanás közötti idő. (A felvillantások párban történnek, a két lézer közül az egyik mindig az első, a másik a második villantást végzi.) A két lézer fénysugarát optikai eszközök (tükrök, polarizátor, lencsék, prizmák) vezetik egy nyalábba, majd a vizsgált térrészbe. A nyalábot hengeres lencse segítségével síknyalábbá transzformáljuk, így egy síkot világíthatunk meg. A megvilágított áramlási síkot a síkkal 90o-ot bezáró digitális kamerával rögzítjük a felvillanások pillanatában.
1. ábra: A PIV mérés elvi elrendezése A képpár kiértékeléséhez mindkét képet ugyanakkora, ún. interrogációs területre (interrogation area) osztjuk. (Ezek néhány ezer - pl. 64*64, vagy 32*32 pixeles négyzetek.) Az ilyen négyzeteken belül feltételezzük, hogy az itt található folyadék áramlási sebessége ugyanakkora. Az inerrogációs területek méretét ezen feltételezés alapján kell meghatároznunk: túl nagy méret esetén romlik a mérés felbontása, túl kis méret esetén pedig nem lesz elég kiértékelhető képpontunk. A részecskék elmozdulásának meghatározása statisztikai módszerrel történik (ld. 2. ábra): a két kép azonos interrogációs területeire kell meghatározni a térbeli autokorrelációt. (A térbeli autokorrelációs függvény egy változó saját magával képzett térbeli korrelációja, amely azt határozza meg, hogy egy adott változó térbeli eloszlása tükröz-e valamilyen szisztematikus mintát - függ-e a szomszédos területek eloszlásától.) Az így kapott eredmény 3 korrelációs csúcsot ad: egy központi ön-korrelációs csúcsot, és két, a valós elmozdulás miatti csúcsot a központi csúcs két oldalán (a dupla csúcs az autokorreláció szimmetria-tulajdonsága miatt jelentkezik). Az oldalsó csúcsokból határozható meg az adott interrogációs területre jellemző elmozdulás. Double-exposure image Interrogation region Spatial correlation
2. ábra: Az elmozdulásvektor meghatározása a mért képpontokból Mérési elrendezés A PIV berendezéssel az R438 szobában található kísérleti berendezésen végzünk el csóva-keveredési mérést. A kísérleti berendezés egy 12,5 literes (500 * 250 * 100 mm H*M*SZ), 15 mm falvastagságú plexiüvegből készült tartályból (akvárium), valamint az azt kiszolgáló gépészeti berendezésekből, illetve a telepített mérőrendszerekből (termoelemek, áramlásmérők) áll. A plexiüveg akváriumra 5 csonk csatlakozik (egy az akvárium felső oldalán, 2-2 pedig két szemközti oldalán, ld. 3. ábra), amelyek tetszőlegesen variálhatók ki- és belépő csonkként. A mérések során egyszerre akár 2 be- és 2 kilépő csonk is használható. A belépő közeg hőmérséklete és tömegárama változtatható. 3. ábra: A plexiüveg akvárium fényképe és rajza A kiszolgáló gépészeti berendezések a 4. ábrán láthatók. A fő elemek az alábbiak: - Két, egyenként 80 l-es bojler vízmelegítésre, - Két WC-tartály a hálózati nyomás csökkentésére és légtelenítésre, - 2*2 fojtószelep a be- és kilépő tömegáramok szabályozására, - Szivattyú, - 2 db csővezetékbe épített áramlásmérő, 4 db hőmérő, - Egyéb szerelvények (légtelenítő szelep, áramlásosztók, golyósszelepek). A belépő tömegáram mérése a két ágba épített áramlásmérők segítségével történik, ezek jelét PC-be olvasva egy kiértékelő program segítségével közvetlenül grafikus, vagy text fájlban kapjuk az adatokat. A belépő hőmérsékletek ellenőrzésére az ágakba épített hőmérők szolgálnak, ezek azonban igen lassan reagálnak a hőmérséklet-változásra, amit a mérés során figyelembe kell venni. Az akváriumon belüli hőmérséklet-meghatározásra egy 8 termoelemből álló függőleges termoelem-fa lett telepítve, amelynek jele az áramlásmérőével együtt kerül kiértékelésre. A kísérleti berendezésben 20-80 o C-os víz állítható elő, amelyet néhány tized kg/s tömegárammal juttathatunk a plexiüveg akváriumba, amelyben a termoelemek és a PIV berendezés segítségével meghatározhatjuk a kialakuló sebesség- és hőmérsékletmezőt.
4. ábra: A kísérleti berendezés gépészeti elemeinek terve ill. fényképe
A kísérleti berendezéshez telepített PIV mérőrendszer főbb jellemzőit az alábbiakban soroljuk fel: - Nd-YAG duál lézer 135 mj impulzus-energiával, 532 nm-es hullámhosszal. Az egyes lézerfejek frekvenciája 15 Hz, azaz másodpercenként 15 képpár készíthető. Egy-egy képpár két képe között akár ms-os időkülönbség is beállítható. - Lézer kiegészítők (állvány, optika). - Tápegység (UP-550) és irányítóegység a lézer külső irányítására. - 1600*1200 pixeles digitális kamera, 30 fps sebességgel. A kamera pixelei valójában meg vannak duplázva, így egy képpár mindkét képét egyszerre tárolja el a kamera (a két kép közti időkülönbség annyira kicsi, hogy ezalatt a kamerából nem lehetne kiolvasni az első kép adatait). - Kamera kiegészítők (objektív, szűrők) - Szoftver (Dynamic Studio) - Nyomjelző részecske: 50 mikron átmérőjű PSP (polisztirol) részecske PIV méréshez, Rhodamine-B festék LIF méréshez Mérési feladat A mérés során stagnáló hideg közegbe alulról belépő meleg csóva áramlását vizsgáljuk termoelemek, illetve a PIV mérőberendezés segítségével (ld. 5. ábra). A mérést kétszer végezzük el, első esetben a hőmérséklet, második esetben a sebességmérést végezzük el. 5. ábra: A mérési elrendezés 3. 4. 2. 5. 1. 1. Hőmérséklet mérése Előkészületek a méréshez: 1. Az egyik bojler fűtését a mérés előtt legalább egy órával be kell kapcsolni. A bojler elzáró szelepei legyenek nyitva. 2. A méréshez az akváriumot a nem fűtött bojleren keresztül fel kell tölteni hideg (szobahőmérsékletű) vízzel. A feltöltés során a leeresztő szelepek legyenek elzárva, a levegőtlenítést azonban a felső csonkon keresztül biztosítani kell. 3. Helyezzük üzembe a hőmérséklet- és tömegáram mérést. 4. A fojtószelepek beállításával - a tömegáram folyamatos mérése mellett - állítsuk be a kívánt (0,05 kg/s körüli) tömegáramot. A továbbiakban a fojtószelepek pozícióját ne változtassuk, csak az elzárószepeket használjuk, az akvárium esetleges leeresztését a mérésben nem használ leeresztő ággal végezzük. 5. A kívánt ág tartályát töltsük fel a bojlerből meleg (40-50 o C hőmérsékletű vízzel). A bojlerből származó víz hőmérsékletét a beépített hőmérőkről olvassuk le. A feltöltés során gondoskodjunk a tartályban lévő hideg víz, valamint a csőben lehűlő víz
kiengedéséről a belépés előtti by-pass ágon keresztül. A feltöltés után a tartályt le kell zárni. A mérés menete: Az előkészítést követően el kell indítani a tömegáram-, és hőmérséklet-mérést, illetve ezek grafikus ábrázolását. A mérés 3-5 percig tartson. 2. Sebesség mérése Előkészületek a méréshez: 1. A mérés az előzőekben elvégzett beállításokkal (pl. tömegáram), az előzőhöz hasonlóan zajlik. 2. Eresszük le az akváriumból és a tartályból az összes vizet. 3. Indítsuk el a lézert, a kamerát és a hozzájuk tartozó számítógépet és szoftvert. A lézer teljesítményét és a megvilágított sík helyzetét be kell állítani. 4. A plexiüveg akvárium feltöltése közben keverjük a nyomjelző szemcséket a hideg közegbe, illetve az adagoló segítségével a meleg vízzel feltöltött tartályba. A mérés menete: Az előkészítést követően el kell indítani a lézeres adatgyűjtést. A mérés az előzőek szerint 3-5 percig tart. A kiértékelés menetét a mérésvezető helyben ismerteti.