Ergebnis der PIV-Analyse des kontrollierten Rotationstests mit 3 cm/s (Mitte) und der Translation von links nach rechts mit 3 cm/s: die Pfeile zeigen die Richtung der Verschiebung an.
Particle Image Velocimetry PIV
Projektbeschreibung
Eines der Ziele von Laboratorium3D ist die Entwicklung von Techniken zur Messung der verschiedenen Parameter, die ein hydraulisches System charakterisieren. Die Möglichkeit, Parameter wie die Geschwindigkeit des Wassers, seine Tiefe oder die Kraft, die es auf das Flussbett ausübt, genau zu bestimmen, ist von wesentlicher Bedeutung, um die Gültigkeit der physikalischen Modellierungen zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang können wir mit Stolz sagen, dass die Analyse von PIV nun zu unseren Kompetenzen gehört.
Bei der PIV-Technik wird die Oberflächengeschwindigkeit des Abflusses aus einer Folge von Bildern extrapoliert, wobei auf der Wasseroberfläche schwimmende Tracer verwendet werden. Das Prinzip dieser Analyse beruht darauf, dass der Tracer, der von der Strömung transportiert wird, die Geschwindigkeit des Abflusses selbst annimmt.
Die physikalischen Experimente werden von einer Kamera auf dem Modell gefilmt: eine Bildfolge wird dann extrapoliert und mit Hilfe eines Algorithmus die Verschiebung der Tracer berechnet.
Der von uns entwickelte Algorithmus wurde in Zusammenarbeit mit New Celio Electronics Sagl (Link www.gardenghi.org) validiert, welche ein Instrument zur Verfügung stellte, das Translations- und Rotationsverschiebungen mit bekannter Geschwindigkeit erzeugt. So konnten wir unseren Algorithmus unter bekannten Bedingungen testen und validieren. Die Ergebnisse der PIV-Analyse bestätigten die erwarteten Werte, so dass die Robustheit unseres Analysesystems bestätigt werden kann. Abbildung 1 auf der linken Seite zeigt das Messbild von zwei Experimenten, die bei New Celio Electronics Sagl durchgeführt wurden, mit den jeweiligen Ergebnissen der PIV-Analyse.
Eine zweite Vergleichsmethode ist die hybride Modellierung, die einen Quervergleich zwischen dem physikalischen Modell (d.h. Geschwindigkeitsmessungen durch PIV) und dem numerischen 3D-Modell ermöglicht, bei dem die Geschwindigkeiten über das gesamte Modellvolumen bestimmt werden können.
Ein Beispiel für das Endprodukt der von Laboratorium3D angebotenen PIV-Analyse ist in Abbildung 2 dargestellt: Die obere Abbildung zeigt das Messbild eines Experiments bei einem Abfluss von Q=100 l/s am Lodrino-Rampenmodell und die untere das aus der PIV-Analyse resultierende Geschwindigkeitsvektorfeld.
Neben der Anwendung dieser Technik in Laborexperimenten kann PIV auch direkt bei natürlichen Untersuchungen mit ausreichend hohen Abflüssen eingesetzt werden, wobei der vom Wasser gebildete „Schaum“ als natürlicher Tracer verwendet wird.
