Strömungsvisualisierung

 

Das Particle Image Velocimetry Verfahren (PIV) hat z. B. in der Strömungsmechanik große Popularität erlangt und wird u. a. für Windtunnel in der Luft- und Raumfahrt sowie zur Modellierung von künstlichen Herzklappen eingesetzt.

Die PIV wird zur Messung von Momentangeschwindigkeiten und anderen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen verwendet.

Bei der Particle Image Velocimetry bzw. Strömungs- visualisierung wird eine mit kleinen Tracer-Partikeln, die der Strömungsdynamik folgen, dotierte Flüssigkeit mit einem Laserstrahl beleuchtet, um die Partikel sichtbar zu machen. Eine Kamera nimmt eine Reihe von Bildern auf, anhand derer Geschwindigkeit und Richtung der Partikel berechnet werden können.

 

Die Möglichkeit, die Strömung zu visualisieren und Messungen der Momentangeschwindigkeit in Flüssigkeiten durchzuführen, ist das Hauptmerkmal der Particle Image Velocimetry (PIV). In einer typischen Konfiguration werden so genannte „Tracer"-Partikel in eine Flüssigkeit eingebracht, die dann – sofern sie klein genug sind – der üblichen Strömungsdynamik unterliegen. Durch die Laserbeleuchtung können die Partikel verfolgt und das Geschwindigkeitsfeld (d.h. Geschwindigkeit und Richtung) der untersuchten Strömung ermittelt werden. Das PIV-Verfahren bietet die einzigartige Möglichkeit, sowohl makro- als auch mikroskopische Eigenschaften zu untersuchen. Die PIV wird daher in vielen Industrien eingesetzt, u. a. in der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Untersuchung der Hydrodynamik der Luftströmung über Flugzeugflügeln, in der Landwirtschaft zur Erforschung der Samenausbreitungsmuster von Blütenpflanzen und in der Medizin zur Modellierung der Blutbewegung in Herzklappen bei der Entwicklung von Prothesen und medizinischen Geräten.

Sowohl gepulste als auch CW-Laser können zur Erfassung von PIV-Daten verwendet werden. Bei der Particle Image Velocimetry werden mit der Kamera synchronisierte Nanosekundenlaser von IPG verwendet, da sie in der Lage sind, Laserstrahlen hoher Leistung im sichtbaren Bereich mit kurzen Pulsdauern zu erzeugen. In manchen Fällen wird der Laserstrahl mithilfe zylindrischer Linsen als Lichtschnitt geformt. Die am häufigsten verwendeten Laser emittieren bei einer Grundwellenlänge von 2 Mikrometer oder der zweiten grünen Oberwellenlänge. Grüne gepulste Laser (z. B. der GLPN-Laser von IPG) werden häufig verwendet, da sie für das menschliche Auge sichtbar und zudem kosteneffizient sind. 

 

Die typischen zeitlichen Auflösungen liegen je nach untersuchtem System und zu ermittelnden Informationen zwischen einigen hundert Pikosekunden und Millisekunden.

Die genaue Anpassung der Emissionswellenlängen, Pulsdauern oder Laserleistungen an das jeweilige System ermöglicht eine flexible, einzigartige Lösung für Particle Image Velocimetry. IPG bietet eine Reihe von Lasern für PIV-Anwendungen, beispielsweise CW-Faserlaser, einschließlich grüner CW-Laser.

  
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