Partikelbildverfahren

Partikelbildverfahren (PIV) ist eine bildgebende Messmethode zur Ermittlung von Geschwindigkeitsfeldern in Strömungen. Tracer-Partikel, die den Fluidstrom mitverfolgen, werden mit einem dünnen Laserlichtblatt beleuchtet und von Kameras aufgenommen. Aus der Verschiebung der Partikel zwischen zwei oder mehreren Aufnahmen wird die lokale Strömungsgeschwindigkeit berechnet.

Aufbau und Messablauf. Partikel werden dem Medium zugesetzt, der Laser erzeugt ein Lichtblatt, das die Partikel markiert, und zwei oder mehr Kameras erfassen die beleuchtete Ebene. Die Bilder werden in einem Mehrfach- oder Mehrpass-Verfahren verarbeitet: Partikelpositionen innerhalb von Interrogationsfenstern werden mittels Kreuzkorrelation bestimmt; durch Window-Shifting wird eine mehrstufige Auflösung erzielt und die Geschwindigkeit als V = Δx/Δt berechnet. Bei Stereo- oder Tomo-PIV werden Kalibrierung und Geometrie genutzt, um dreidimensionale Geschwindigkeitsfelder abzuleiten.

Varianten und Ausgaben. 2D-PIV misst Geschwindigkeiten in einer Ebene; Stereo-PIV liefert dreidimensionale Geschwindigkeitsvektoren in dieser Ebene; Tomo-PIV rekonstruiert 3D-Felder aus mehreren Kameras. Mikromessungen in Mikrokanälen werden als Micro-PIV bezeichnet. Aus den Messungen lassen sich Größen wie Turbulenzintensität, Vorticity oder spezielle Parameter ableiten.

Vorteile und Einschränkungen. PIV ist nicht-invasiv und liefert full-field-Geschwindigkeitsinformationen. Voraussetzung sind geeignete optische Zugänglichkeit, passende Tracer-Partikel und ausreichende Bildauflösung. Zu den Herausforderungen gehören die Abhängigkeit von der Tracer-Verteilung, Out-of-Plane-Bewegungen, Beleuchtungsanforderungen sowie der Rechenaufwand der Datenverarbeitung.

Anwendungen. PIV wird in der Strömungsmechanik, Aerodynamik, Turbomaschinen, Verfahrenstechnik, Mikrofluidik und Biomechanik eingesetzt, um Strömungsstrukturen und Turbulenz zu charakterisieren und Leistungskennwerte abzuleiten.