Měření proudových polí metodou 3D PIV

Úvodní informace

Při tomto cvičení jsou studenti seznámeni s možnostmi bezkontaktního měření proudových polí           v tekutinách zachycující všechny tři složky rychlosti. Na minulém cvičení byl vysvětlena a na praktické úloze demonstrována funkce klasického základního Particle Image Velocimetry (PIV) měřicího systému. Tento systém měří pouze dvě složky rychlosti ležící v rovině laserového řezu. Na tomto cvičení bude demonstrována funkce rozšíření pro 3D měření proudových polí.

Seznam pomůcek a laboratorního vybavení

  • Technika pro metodu PIV, tj. pulsní laser, digitální kamera, stativ, sada optických barevných filtrů, hardware pro sběr a analýzu dat, pro rozšíření na 3D PIV použít druhou identickou digitální kameru a speciální držáky kamer
  • Aerodynamická cirkulační trať
  • Model koule pro sledování obtékání
  • Tlaková a teplotní čidla připojitelná do měřící ústředny
  • Generátor stopovacích částic

Postup pro vypracování cvičeni

Teoretická příprava

  • Vysvětlete pojmy stereoskopická rekonstrukce obrazu, Scheimpflugova podmínka
  • Zopakujte si základy metody 3D PIV, které byly předneseny na přednášce, vysvětlete Obr. 1.
  • Obrázek 1: Princip měřícího systému 3D PIV

Praktická příprava

  • Seznamte se s funkcí aerodynamické tratě – ovládání pohonu, čidla tlaků, teplot, řízení a zpracování dat v PC

Zapněte aerodynamickou trať a sledujte hodnoty čidel při jednotlivých režimech, nastavte rychlost proudu v trati na 20m/s.

Obrázek 2: Aerodynamická trať s měřicím prostorem 200x200mm – plexi box ve středu vrchní větve tratě

  • Umístěte obtékaný předmět do středu měřicího prostoru tratě
  • Rozmyslete a diskutujte umístění jednotlivých komponent 3D PIV systému
  • Umístěte laser, optiku pro laserový řez a kamery na speciální držáky k měřicímu prostoru tratě
  • Do pozice laserového řezu umístěte terčík pro 3D kalibraci, nastavte vhodný úhel na držácích kamer
  • Na základě znalosti Scheimpflugovy podmínky proveďte výpočet natočení čipu kamery vůči ose objektivu
  • V měřicím softwaru Dynamic Studio založte nový projekt a aktivujte záznamový režim
  • Zaostřete kameru na kalibrační terčík a zkontrolujte proostření obrazu v celé rovině – v případě nutnosti opravte vyosení čipu kamery
  • Pomocí mikroposuvu umístěte kalibrační terčík do těchto pozic v rovině z a proveďte záznam obrazů z=-5mm; z=-2,5mm; z=0mm; z=2,5mm; z=5mm. POZOR – kalibraci provádějte s vypnutým la***, scénu je nutno nasvítit dostatečně intenzivním homogenním světlem

Obrázek 3: Obrazy kalibračního terče pořízeného levou a pravou kamerou – roviny x, y v ploše terčíku, z kolmá na rovinu terčíku

  • Vložte z-informaci k jednotlivým zaznamenaným datům obou kamer, změřte měřítko zvětšení obrazu
  • Proveďte výpočet modelu 3D rekonstrukce – postupujte podle pokynů lektora, v případě nevyhovujících obrazových dat zlepšete kontrast obrazu lepším zaostřením a nasvícením scény, odstraněním odlesků
  • Připojte do generátor stopovacích částic, proud vzduchu v trati vhodně nasyťte
  • Po kontrole sestavení úlohy nechte lektorem zapnout laser – POZOR – dodržujte zásady laserové bezpečnosti
  • Zapněte elektroniku pro ovládání aerodynamické tratě, teplotních i tlakových čidel s ústřednou
  • V softwaru pro měření parametrů tratě zaznamenejte hodnoty tlaku, teploty, barometrického tlaku v laboratoři apod.
  • Na základě znalostí z přednášky vypočtěte potřebné velikosti vyšetřované oblasti a časový rozestup mezi záznamy, vyplňte hodnoty do softwaru a proveďte kontrolní měření
  • Zkontrolujte získaná 2D obrazová data – zaměřte se zejména na ostrost částic a jejich posuv mezi dvojobrazy – dolaďte nastavené parametry a v případě potřeby doostřete
  • Zaznamenejte 100 obrazových dat proudu za tryskou z obou kamer
  • Proveďte výpočet korelací – ověřte vliv adaptivní korelace, různou velikost vyšetřovaných oblastí a hodnotu překrývání oblastí, s využitím vypočtených 3D rekonstrukčních modelů proveďte výpočet 3D vektorové mapy
  • Validujte vektorové mapy různými druhy algoritmů – porovnejte účinnost jednotlivých druhů validace
  • Vypočítejte statiku ze všech vypočtených vektorových map – střední hodnotu rychlosti, hodnoty směrodatné odchylky
  • Demonstrujte další možnosti vykreslení a zobrazení experimentálních dat v softwaru

1. Popis

Úvodní informace

Při tomto cvičení jsou studenti seznámeni s možnostmi bezkontaktního měření proudových polí           v tekutinách zachycující všechny tři složky rychlosti. Na minulém cvičení byl vysvětlena a na praktické úloze demonstrována funkce klasického základního Particle Image Velocimetry (PIV) měřicího systému. Tento systém měří pouze dvě složky rychlosti ležící v rovině laserového řezu. Na tomto cvičení bude demonstrována funkce rozšíření pro 3D měření proudových polí.

Seznam pomůcek a laboratorního vybavení

  • Technika pro metodu PIV, tj. pulsní laser, digitální kamera, stativ, sada optických barevných filtrů, hardware pro sběr a analýzu dat, pro rozšíření na 3D PIV použít druhou identickou digitální kameru a speciální držáky kamer
  • Aerodynamická cirkulační trať
  • Model koule pro sledování obtékání
  • Tlaková a teplotní čidla připojitelná do měřící ústředny
  • Generátor stopovacích částic

Postup pro vypracování cvičeni

Teoretická příprava

  • Vysvětlete pojmy stereoskopická rekonstrukce obrazu, Scheimpflugova podmínka
  • Zopakujte si základy metody 3D PIV, které byly předneseny na přednášce, vysvětlete Obr. 1.
  • Obrázek 1: Princip měřícího systému 3D PIV

Praktická příprava

  • Seznamte se s funkcí aerodynamické tratě – ovládání pohonu, čidla tlaků, teplot, řízení a zpracování dat v PC

Zapněte aerodynamickou trať a sledujte hodnoty čidel při jednotlivých režimech, nastavte rychlost proudu v trati na 20m/s.

Obrázek 2: Aerodynamická trať s měřicím prostorem 200x200mm – plexi box ve středu vrchní větve tratě

  • Umístěte obtékaný předmět do středu měřicího prostoru tratě
  • Rozmyslete a diskutujte umístění jednotlivých komponent 3D PIV systému
  • Umístěte laser, optiku pro laserový řez a kamery na speciální držáky k měřicímu prostoru tratě
  • Do pozice laserového řezu umístěte terčík pro 3D kalibraci, nastavte vhodný úhel na držácích kamer
  • Na základě znalosti Scheimpflugovy podmínky proveďte výpočet natočení čipu kamery vůči ose objektivu
  • V měřicím softwaru Dynamic Studio založte nový projekt a aktivujte záznamový režim
  • Zaostřete kameru na kalibrační terčík a zkontrolujte proostření obrazu v celé rovině – v případě nutnosti opravte vyosení čipu kamery
  • Pomocí mikroposuvu umístěte kalibrační terčík do těchto pozic v rovině z a proveďte záznam obrazů z=-5mm; z=-2,5mm; z=0mm; z=2,5mm; z=5mm. POZOR – kalibraci provádějte s vypnutým la***, scénu je nutno nasvítit dostatečně intenzivním homogenním světlem

Obrázek 3: Obrazy kalibračního terče pořízeného levou a pravou kamerou – roviny x, y v ploše terčíku, z kolmá na rovinu terčíku

  • Vložte z-informaci k jednotlivým zaznamenaným datům obou kamer, změřte měřítko zvětšení obrazu
  • Proveďte výpočet modelu 3D rekonstrukce – postupujte podle pokynů lektora, v případě nevyhovujících obrazových dat zlepšete kontrast obrazu lepším zaostřením a nasvícením scény, odstraněním odlesků
  • Připojte do generátor stopovacích částic, proud vzduchu v trati vhodně nasyťte
  • Po kontrole sestavení úlohy nechte lektorem zapnout laser – POZOR – dodržujte zásady laserové bezpečnosti
  • Zapněte elektroniku pro ovládání aerodynamické tratě, teplotních i tlakových čidel s ústřednou
  • V softwaru pro měření parametrů tratě zaznamenejte hodnoty tlaku, teploty, barometrického tlaku v laboratoři apod.
  • Na základě znalostí z přednášky vypočtěte potřebné velikosti vyšetřované oblasti a časový rozestup mezi záznamy, vyplňte hodnoty do softwaru a proveďte kontrolní měření
  • Zkontrolujte získaná 2D obrazová data – zaměřte se zejména na ostrost částic a jejich posuv mezi dvojobrazy – dolaďte nastavené parametry a v případě potřeby doostřete
  • Zaznamenejte 100 obrazových dat proudu za tryskou z obou kamer
  • Proveďte výpočet korelací – ověřte vliv adaptivní korelace, různou velikost vyšetřovaných oblastí a hodnotu překrývání oblastí, s využitím vypočtených 3D rekonstrukčních modelů proveďte výpočet 3D vektorové mapy
  • Validujte vektorové mapy různými druhy algoritmů – porovnejte účinnost jednotlivých druhů validace
  • Vypočítejte statiku ze všech vypočtených vektorových map – střední hodnotu rychlosti, hodnoty směrodatné odchylky
  • Demonstrujte další možnosti vykreslení a zobrazení experimentálních dat v softwaru