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Optical Flow Measurement - Optische Strömungsmessung
 

Among the different optical techniques for flow measurements Laser-Doppler-Anemometry (LDA) and Particle-Image-Velocimetry (PIV) are the most common. Both techniques record velocity in fluid flows. They use small particles or droplets, which are added to the flow.

Von den verschiedenen Verfahren zur optischen Strömungsmessung sind die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) und die Particle-Image-Velocimetry (PIV) die häufigsten Verfahren. Beide werden zur Geschwindigkeitsmessung in Strömungen eingesetzt. Diese Techniken verwenden zur Messung kleine Teilchen oder Tröpfchen, die der Strömung beigegeben werden.

 

Basics PIV - Grundlagen PIV
 


For PIV the flow is illuminated by a laser light-sheet. Consecutive laser flashes are used to record single image frames with a digital camera. Correlating small areas in these images (so-called interrogation areas), the displacement of these tracer particles in the light-sheet can be measured. With the known time interval between the laser pulses the flow velocity results.

Bei der PIV wird die Strömung mit einem Laserschnitt beleuchtet. Mit aufeinanderfolgende Laserblitze werden einzelne Bilder mit Hilfe einer digitalen Kamera aufgezeichnet. Mittels Korrelation in kleinen Bereichen (so genannte interrogation areas) wird dann aus diesen Bildern die Verschiebung der Tracerpartikel zwischen zwei Laserblitzen im Lichtschnitt bestimmt, bei bekanntem Zeitabstand zwischen den Laserpulsen ergibt sich daraus die Strömungsgeschwindigkeit.

 
 
 
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Basics LDA - Grundlagen LDA
 


For LDA two laser beams are focused and single tracer particles scatter their light. The frequencies of the light scattered at the moving tracer particles is slightly different to the incoming light-wave due to the Doppler-effect. From the beating frequency (the Doppler-burst) of these scattered light waves the tracer particle velocity and therefore the flow velocity can be calculated. The system shown measures the velocity perpendicular to the half angle axis between the two laser beams.

Die LDA benutzt zwei fokusierte Laserstrahlen, in denen einzelne Tracerpartikel aufblitzen, die mit der Strömung mitgenommen werden. Die an diesem bewegten Teilchen gestreuten Lichtwellen besitzen durch den Doppler-Effekt leicht unterschiedliche Frequenzen. Aus der Schwebung beider Wellen (dem Doppler-Burst) lässt sich die Geschwindigkeit des Tracerpartikel und somit der Strömung bestimmen. Das gezeigte System misst die Geschwindigkeitskomponente senkrecht auf die Winkelhalbierende der beiden Laserstrahlen.

 
 
 
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Examples - Beispiele

 

Flow in a gas cyclone - Strömung in einem Zyklon
 


This work was done at the Institute for Chemical Plant Hardware, Particle Technology and Combustion at TU Graz. Together with an extensive analysis of the central vortex, the particle size distribution was recorded. For this task a variation of LDA was used, namely Phase-Doppler -Anemometry (PDA). Additionally, a visualization via light-sheet was performed.

Diese Arbeit wurde am Institut für Apparatebau, Mechanische Verfahrenstechnik und Feuerungstechnik der TU Graz durchgeführt. Außer einer detaillierten Vermessung des Potentialwirbels mittels Laser-Doppler Anemometrie wurde auch die Teilchengrößenverteilung bestimmt. Hierzu wurde eine Variante der LDA verwendet, die solche Bestimmungen der Teilchengröße gestattet, nämlich die Phasen-Doppler-Anemometrie. Zusätzlich erfolgte eine Visualisierung der Strömung mittels Lichtschnitt.

 
 
 
 
 
 
 
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St. Obermair, Ch. Gutschi, J. Woisetschläger, G. Staudinger (2005) Flow pattern and agglomeration in the dust outlet of a gas caclone investigated by phase doppler anemometry, Powder technology 156, 34-42

   
St. Obermair, J. Woisetschläger, G. Staudinger, (2003) Investigation of the flow pattern in different dust outlet geometries of a gas cyclone by laser Doppler anemometry, Powder Technology 138, 239-251

   
A.Gorton-Hülgerth, J. Woisetschläger, G. Wigley, G. Staudinger (2000) Investigation of the Flow Field in the Upper Part of a Cyclone with Laser and Phase Doppler Anemometry, Part.Part.Syst.Charact., 17, pp 21-27


 

Wake behind a turbine blade - Nachlauf hinter einer Turbinenschaufel
 


Behind an airfoil the boundary layer separate, forming a wake. This wake consists of counter-wise rotating vortices shedding at high frequency. The frequency depends on the thickness of the boundary layers and therefore on the boundary state (turbulent or laminar). In our work a VKI 1 turbine blade profile was investigated for different boundary layer states, combining PIV with interferometry. Since no phase information on the shedding vortices was available, the PIV recordings were sorted afterward by the vortex centres and averaged.

Hinter einem Profil kommt zur Grenzschichtablösung, welche die Nachlaufströmung verursacht. Dieser Nachlauf besteht aus gegensinnig drehenden Wirbeln die sich mit hoher Frequenz ablösen. Diese Ablösefrequenz hängt von der Stärke der Grenzschicht und somit vom Zustand der Grenzschicht ab (turbulent oder laminar). In unserer Arbeit wurde ein VKI 1 Profil für verschiedene Grenzschichtzustände untersucht, wobei PIV und Interferometrie gekoppelt wurden. Da keine Phaseninformation zugänglich war, wurden die PIV Aufnahmen nachträglich anhand der Wirbelzentren sortiert und gemittelt.

 
 
 
 
 
 
 
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J.Woisetschläger, N.Mayrhofer, B.Hampel, H.Lang, W.Sanz, (2003) Laser-optical investigation of turbine wake flow, Exp.Fluids, Vol.34, pp371-378

   
B.Hampel, N.Mayrhofer, J.Woisetschläger (2002) Frequenzanalyse einer Turbinenschaufelgitterströmung mittels Laser-Vibrometer und holographischer Interferometrie, Proc. GALA-Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmeßtechnik, paper 32, Rostock, BRD, 2002

   
J.Woisetschläger, N.Mayrhofer, H.Lang, B.Hampel (2002) Experimental investigation of turbine wake flow by interferometrically triggered PIV and LDV measurements, ASME Turbo Expo 2002, Amsterdam, GT-2002-30347

   
A.Gehrer, H.Lang, N.Mayrhofer, J.Woisetschläger (2000) Numerical and Experimental Investigation of Trailing Edge Vortex Shedding Downstream of a Linear Turbine Cascade, ASME International Gas Turbine and Aeroengine Congress, Munich, 2000-GT-434

   
N.Mayrhofer, H.Lang, J.Woisetschläger (2000) Experimental Investigation of Turbine Wake Flow by Interferometrically Triggered LDV-Measurements, Proc. 10th International Symposium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, paper 28.1

   
W.Sanz, A.Gehrer, J.Woisetschläger, M.Forstner, W.Artner, H.Jericha (1998) Numerical and Experimental Investigation of the Wake Flow Downstream of a Linear Turbine Cascade, Proc. ASME International Gas Turbine and Aeroengine Congress, Stockholm, Sweden, 98-GT-246

 

Viscoelastic fluids - Viskoelastische Fluide
 


Bubbles rising in viscoelastic liquids may exhibit a discontinuity of the rise velocity as a critical bubble volume is exceeded. This behaviour can be studied nicely using PIV and fluoresecent tracer particles. The following flow maps were recorded in a cooperation between the Institute for Fluid Mechanics and Heat Transfer, and the Institute for Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, both at TU Graz.

Bläschen die in viskoelastischen Flüssigkeiten aufsteigen können sprunghaft ihre Aufstiegsgeschwindigkeit ändern, falls ein kritisches Volumen überschritten wird. Dieses Verhalten kann gut mit Hilfe der PIV und fluoreszierenden Tracerteilchen untersucht werden. Die folgenden Aufnahmen wurde in einer Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung und dem Institut für Thermische Turbomaschinen und Maschinendynamik der TU Graz aufgezeichnet.

 
 
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Transonic turbine - Transsonische Turbine
 


Whenever the gas flow velocity through a turbine exeeds the speed of sound in some areas of the flow, but is still smaller in others, the flow is called transonic. Due to shocks systems, pronounced vortices and secondary flows this type of flow is difficult to analyse in a machine rotating at high speed. The two following animations present PIV, LDA and computational data in comparison.

Immer wenn die Geschwindigkeit der Gasströmung durch einen Turbine die Schallgeschwindigkeit in einigen Gebieten überschreitet, in anderen aber geringer ist, spricht man von transsonischer Strömung. Aufgrund der Stoßsysteme, ausgeprägter Wirbel und Sekundärströmungen ist diese Art von Strömungen in schnell rotierenden Strömungen schwierig zu analysieren. Die beiden folgenden Animationen zeigen PIV, LDA und numerische Daten im Vergleich.

 
 
 
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J. Woisetschläger, E. Göttlich (2008) Recent Applications of Particle Image Velocimetry to Flow Research in Thermal Turbomachinery, in: A.Schröder, C.M.Willert (Eds.): Particle Image Velocimetry New Developments and Recent Applications, Topics of Applied Physics, Springer, Wien Heidelberg New York, ISBN 978-3-540-73527-4
download manuscript of this review article on PIV in turbomachinery (with name/year references)


   
J. Woisetschläger, R. Pecnik, E. Göttlich, O. Schennach, A. Marn, W.Sanz, F.Heitmeir (2008) Experimental and Numerical Flow Visualization in a Transonic Turbine, Journal of Visualization, Vol. 11, No.1, pp 95-102

 

J. Woisetschläger, H. Lang, E. Göttlich (2007) Stereo PIV applied to a transonic turbine, in: M.Raffel, C.M.Willert, S.T.Wereley, J.Kompenhans (Eds.) Particle Image Velocimetry - A Practical Guide, 2nd edition, Experimental Fluid Mechanics, Series, Springer, Wien Heidelberg New York, ISBN: 978-3-540-72307-3

   
J. Woisetschläger, R. Pecnik, E.Göttlich, O.Schennach, A.Marn, W.Sanz, F.Heitmeir (2006) Laser-optical investigation of stator-rotor interaction in a transonic turbine, Proc. 12 th International Symposium on Flow Visualization, September 10-14, 2006, German Aerospace Center (DLR), Göttingen, Germany, paper 095

   
E.Göttlich, J.Woisetschläger, P.Pieringer, B.Hampel, F.Heitmeir (2006) Investigation of vortex shedding and wake-wake interaction in a transonic turbine stage using Laser-Velocimetry and Particle-Image-velocimetry, ASME J. Turbomach., Vol 128, pp 178-187
selected paper: ASME TURBO EXPO 2005, E.Göttlich, J.Woisetschläger, P.Pieringer, B.Hampel, F.Heitmeir (2005) Investigation of vortex shedding and wake-wake interaction in a transonic turbine stage using Laser-Velocimetry and Particle-Image-velocimetry, ASME Turbo Expo 2005, Reno, Nevada, GT2005-68579

   
E.Göttlich, F.Neumayer, P.Pieringer, J.Woisetschläger, W.Sanz, F.Heitmeir, (2004) Investigation of stator-rotor interaction in a transonic turbine stage using laser-doppler-velocimetry and pneumatic probes, ASME J. Turbomach., ASME J. Turbomach., April 2004, 126: 297-305
selected paper: ASME TURBO EXPO 2003 E.Göttlich, F.Neumayer, P.Pieringer, J.Woisetschläger, W.Sanz, F.Heitmeir, (2003) Investigation of stator-rotor interaction in a transonic turbine stage using laser-doppler-velocimetry and pneumatic probes, ASME TURBO EXPO 2003 , Atlanta, Georgia, GT 2003-38266

   
F.Heitmeir, J.Woisetschläger, W.Sanz, H.Jericha (2003) Transonic turbine testing, Proceedings 5 th European Conference on Turbomachinery, Praque, 2003, pp 837-848

   
J.Woisetschläger, H.Lang, B.Hampel, E.Göttlich, F.Heitmeir, (2003) Influence of blade passing on the stator wake in a transonic turbine stage investigated by particle image velocimetry and laser vibrometry, J Power & Energy, ImechE, Vol.217, pp 385-391
selected paper: 5th European Conference on Turbomachinery: J.Woisetschläger, H.Lang, B.Hampel, E.Göttlich, F.Heitmeir, (2003), Influence of blade passing on the stator wake in a transonic turbine stage investigated by particle image velocimetry and laser vibrometry, Proceedings 5 th European Conference on Turbomachinery, Praque, pp 1167-1174

   
H.Lang, T.Mørck, J.Woisetschläger (2002) Stereoscopic particle image velocimetry in a transonic turbine, Exp.Fluids, Vol.32, pp 700-709


 

Additional References - Zusätzliche Literatur
 


TEXTBOOKS in English:

M.Raffel, C.M.Willert, S.T.Wereley, J.Kompenhans, Particle Image Velocimetry - A Practical Guide, 2nd edition, Experimental Fluid Mechanics, Series, Springer, Wien Heidelberg New York (2007) ISBN: 978-3-540-72307-3

H.-E. Albrecht, N. Damaschke, M. Borys, C. Tropea, Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Experimental Fluid Mechanics, Series, Springer, Wien Heidelberg New York (2002) ISBN: 3-540-67838-7

 

VORLESUNGSUNTERLAGE in Deutsch:

Woisetschläger, Energie- und Umwelttechnisches Mess- und Versuchswesen, Teil: Optische Messtechnik, Lasermesstechnik, Vorlesung: 307.015, Laborübung: 307.018, TU Graz, 2007

BEIBLATT zur Vorlesung: "Sieht man Feinstaub ?"

 

  Jakob Woisetschläger // TU Graz // Inffeldgasse 25A // A-8010 Graz // Phone: +43 (316) 873 7227 // Fax: +43 (316) 873 7239
eMail: jakob.woisetschlaeger@tugraz.at // TTM-Institute // Graz University of Technology © 2006