14 th conference on Power System Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow - ES 2015 June 11-12, 2015, Plzeň, Czech Republic NÁVRH EXPERIMENTÁLNÍHO PIV ZAŘÍZENÍ A JEHO NÁSLEDNÁ REALIZACE KLAVÍK Petr, RATKOVSKÁ Katarína This article deals with the experimental Particle image velocimetry - PIV equipment and subsequent implementation. PIV experimental device will be used for subsequent experiment in Department power system enginnering. The experiment is to find the critical value of the Reynolds number for transition from laminar to turbulent flow in a pipe of circular cross section optical measurement methods PIV. Klíčová slova: Particle image velocimetry (PIV), Reynoldsovo číslo, proudění, optimalizace Úvod Experiment nebo též vědecký pokus lze obecně považovat za soubor jednání či pozorování, čímž je možné ověřit nebo vyvrátit danou hypotézu nebo poznatek o příčinných vztazích. V mechanice tekutin je pojem experiment velice rozšířený, neboť i přes velmi značný rozvoj výpočetní techniky nejsme dosud schopni řešit složité úlohy zabývající se prouděním tekutin. Experiment je velmi nákladný, ale i přes to je v mnoha oblastech nepostradatelný. V mém příspěvku se zabýváme návrhem a realizací experimentálního zařízení vhodného pro zmapování rychlostního pole tekutiny proudící v trubici a stanovení rychlostního profilu proudícího média pomocí metody PIV. 1. Metoda PIV Anemometrie vychází z řeckého slova anemos, které znamená vítr. Jedná se o vědní obor, který zkoumá proudění v tekutinách. Ať se jedná o měření rychlosti, tlaku proudění nebo detekování směru proudění. Anemometrickými metodami se rozumí metody měření parametrů proudění tekutin za použití rozličných měřících přístrojů a zařízení, a využívající nejrůznější fyzikální principy. Mezi tyto přístroje patří například čistě mechanické miskové anemometry známé z meteorologických stanic, termoanemometrické sondy, nebo optické metody jako PIV a LDA využívající podstatně složitější principy. Tyto optické metody označujeme jako bezkontaktní. Jejich hlavní výhodou je, že do cesty měřeného proudu nevkládají žádné měřicí přístroje a neovlivňují průběh měření. Proto se snažíme nevkládat do proudu žádné přístroje. Tyto metody jsou vesměs založeny na technologii laseru jako monochromatického zdroje světla, který slouží k pozorování zkoumané oblasti. Tyto metody používají sofistikované optické zařízení, v některých případech spojené s vyhodnocovacím softwarem. [1], [3] Po roce 2000 vyústil vývoj velmi efektivní metody druhu laserové anemometrie, která je v odborné literatuře označována zkratkou PIV - Particle Image Velocimetry. Na rozdíl od laserové dopplerovské anemometrie, která měří rychlost pouze v jednom daném bodě, metoda PIV umožňuje změřit komplikovaná pole v definované rovině měřeného. prostoru. Navíc tato technika zaznamenává vývoj v čase a s velmi výkonnou technikou vyhodnocuje zaznamenaná data. Tato metoda má tak velmi dobré předpoklady k použití pro experimentální studium nestacionárních polí. [2]
KLAVÍK Petr, RATKOVSKÁ Katarína 2. Základní princip metody PIV Základní princip této metody je založen na zaznamenání posunutí malých částic, které jsou unášeny proudem tekutiny, a následném vyhodnocení tohoto posunu v čase. Metoda PIV využívá jako zdroj světla Laser. Pomocí Laseru a optiky se vytvoří světelný list, který ve sledované oblasti proudového pole osvítí stopovací částice minimálně dvěma krátkými vygenerovanými laserovými pulsy s časovým odstupem. Polohy osvětlených stopovacích částic jsou zaznamenány pomocí snímacího zařízení, a to buď na fotografický film, nebo CCD kamerou. Snímací zařízení snímá kolmo osvětlenou oblast proudového pole. Vyhodnocení získaných snímků je založeno na elementární rovnici: 1, kde vzdálenost vyjadřuje posun stopovacích částic unášených proudící tekutinou za čas. Výsledkem je, že lze určit směr a rychlost pohybu. Výstup je 2D obraz s polem vektorů. Pro získání 3D obrazu je zapotřebí dvou snímajících zařízení. [1], [2] Obr. 1 Schéma metody PIV 3. Záznam PIV obrazů V proudovém poli se vytvoří měřící rovina pomocí laserového paprsku, který válcová optika tvaruje do tvaru světelného listu (řezu). V proudovém poli jsou unášeny částice. Při průchodu měřící rovinou částice rozptylují světlo, které na ně dopadá. Rozptýlené světlo je zachyceno pomocí záznamového zařízení, tedy objektivem kamery či fotoaparátu. Záznamové zařízení je umístěno kolmo na měřící rovinu laserového paprsku. Osa objektivu je kolmá na tuto rovinu. Částice, které se v daný časový okamžik nacházejí v měřící rovině, jsou promítnuty do obrazové roviny, ve které se nachází záznamové zařízení. Částice se zde jeví jako malé světlé skvrny na tmavém pozadí. Měřící rovina není spojitě osvětlena, ale pouze po krátký časový úsek, aby bylo možné zaznamenat okamžitou polohu částic v určeném čase. Záznamové zařízení je citlivé na světlo a osvětlené částice jsou zaznamenány CCD maticovým detektorem kamery nebo na film fotoaparátu. Pro vytvoření nespojitého osvětlení měřící roviny se používají lasery s možností pulsace světelného paprsku. V praxi se nejvíce používá dvoukomorový Nd:YAG laser. Tento laser umožňuje poskytnutí konstantního vysokého světelného výkonu po libovolný krátký čas, potřebný pro kvalitní zaznamenání okamžité polohy částic unášených v proudu. Definice krátkého času znamená, že poloha částice během zaznamenání nemění svou polohu, a to ani při značných rychlostech proudu. Pro určení (vyhodnocení) vektoru rychlosti je potřeba pořídit minimálně dva záznamy s daným časovým odstupem. První záznam je označen jako počáteční poloha částic a druhý je označen jako koncová poloha částic v měřené rovině. Zaznamenání poloh částic je možné dvěma způsoby:
Návrh experimentálního PIV zařízení a jeho následná realizace Jednotlivé expozice Jak z názvu vyplývá, každý záznam polohy částic je zaznamenán na samostatném obrazu. Dvojnásobná expozice Znamená, že počáteční poloha i koncová poloha částic je zaznamenána do jednoho obrazu. Oblast měřící roviny je určena světelným řezem. Tato oblast je promítnuta do roviny snímacího zařízení. Transformace mezi rovinami způsobí změnu měřítka, tedy zvětšení M mezi obrazem a objektem. Výhodou digitálních snímacích zařízení jako jsou CCD kamery, je přímé poskytnutí digitalizovaného obrazu pro následující vyhodnocení (analýzu). [3] 4. Analýza PIV obrazů Získané expozice v digitální podobě jsou rozděleny na shodné malé pravoúhlé oblasti (interrogation area). Poté se každá oblast analyzuje a stanovuje se průměrné posunutí částic ve všech oblastech. Výstupem metody PIV je obvykle prezentace ve formě vektorové mapy pro měřenou oblast. K určení vektoru je nutné znát alespoň dvě polohy částice. Proto je důležité, aby po rozdělení PIV obrazu na jednotlivé vyhodnocovací oblasti se v každé této oblasti nacházely nějaké obrazy částic. Podle toho, jaká je koncentrace sytících částic, se vybírá vhodný algoritmus pro vyhodnocení. Koncentrace má nejen výrazný vliv na výsledky měření, ale především na celý experiment. U moderních PIV zařízení provádí analýzu pořízených záznamů PC a výsledky měření lze snadno získat v reálném čase.[1], [2], [4] 5. Popis experimentálního zařízení Na základě rad a nových poznatků byl vytvořen finální návrh experimentálního zařízení, který splňuje veškeré kladené požadavky. Experimentální PIV zařízení je sestava tří nádob, které jsou zakomponovány do konstrukce z hliníkových profilů. Měřící vodní trať je poháněna spádem kapaliny, a to tak, že na vstupu do měřící transparentní trubice a na výstupu se nachází dvě velké nádoby s konstantní výškou kapaliny, rozdíl výšek hladin vytváří hydrostatický tlak, který poté se ztrátami určuje rychlost v trubici. Cirkulace kapaliny je zajištěna oběhovým čerpadlem umístěným ve třetí hlavní nádobě. Nejprve byl stanoven vnitřní průměr transparentní trubice na hodnotu 40 mm. Tento rozměr byl zvolen z důvodu dostupných materiálů na trhu, z hlediska výroby a především z požadavku na možnost většího spektra úloh. V trubici musí být ustálené, nebo-li stacionární proudění. Jak již bylo zmíněno, rychlost v trubici je dána ztrátami v potrubí. Pro tuto regulaci byl zvolen speciální redukční ventil Invar TopBall, který plynule a lineárně mění průřez potrubí. Tím vytváří ztráty škrcením. Aby experimentální zařízení splnilo podmínku všestranné použitelnosti, je zapotřebí dosáhnout vyšších rychlostí. Proto byl zvolen větší rozdíl hladin, a tím i vyšší možná rychlost v trubici. Pro převod rychlosti na Reynoldsovo číslo to znamená, že lze dosáhnout až Re = 45 000. Kapalina, která přepadá z nádoby umístěné na konci trubice je pomocí hadice svedena do hlavní nádoby, odkud je pomocí oběhového čerpadla dopravena do horní nádoby umístěné na vstupu. Konstantní výška hladiny v nádobách je zajištěna vložením přepadové příčky. Jedině tímto technickým řešením lze dosáhnout kvalitního proudu v trubici. V experimentální praxi je známo, že k dosažení kvalitního proudu v trubici se musí navíc zajistit vstupní a výstupní délka v trubici. Minimální hodnota vstupní
KLAVÍK Petr, RATKOVSKÁ Katarína délky je 40 x D (vnitřní průměr trubice) a pro výstupní délku je to hodnota 20 x D. Při kritické hodnotě Reynoldsova čísla je v trubici velmi malá rychlost. Takto malá rychlost je obtížná běžnou technikou změřit. Indukční průtokoměry, které jsou finančně dostupné, ji změří s velikou chybovostí. Ultrazvukové průtokoměry jsou velmi nákladné. Pro experimentální zařízení byla zvolena kýblová metoda, která je velmi přesná, ale nepohodlná. Tato metoda spočívá v měření objemu kapaliny, která přiteče do nádoby umístěné na výstupu z transparentní trubice za časový úsek. Jestliže je znám průměr potrubí lze snadno vypočítat rychlost v trubici. Pro tuto metodu byl na výstupu v přepadové komoře výstupní nádoby umístěn kulový ventil, který se uzavře a v přepadové komoře začne stoupat hladina kapaliny. Výška, do které za daný časový úsek kapalina vystoupá, udává objem vyteklé kapaliny. Obr. 2 Schéma toku kapaliny v nádobě Za inovativní technické řešení lze považovat celou soustavu transparentní trubice navržené z plexiskla. Tato trubice je sestavena z 8 nestejně dlouhých částí, které lze různě poskládat, a tím umožnit variabilitu vstupní a výstupní délky trubice. Tato trubice navíc splňuje veškeré kritéria kladené metodou PIV. Navíc její technické řešení není pro výrobu náročné, a tím pádem i nákladné. Veškeré propojení nádob a trubice je zajištěno pomocí flexibilních pružných hadic a příslušenství z PVC. Rám experimentálního zařízení je z hliníkových profilů, které mají velikou výhodu ve snadné stavbě i přestavbě. Zařízení lze snadno poupravit pro více úloh. Obr. 3 Finální návrh experimentálního zařízení. 1-Transparentní část, 2- Trubice, 3- Oběhové čerpadlo, 4- Hlavní nádoba, 5-Horní nádoba s přepadem, 6- Dolní nádoba s přepadem, 7-Redukční ventil, 8- Rám z Hliníkových profilů, 9- Záznamové zařízení, 10- Laserové zařízení, 11- Kulový venti
Návrh experimentálního PIV zařízení a jeho následná realizace 6. Měření Po sestavení celé konstrukce experimentálního PIV zařízení a kompletaci všech komponent bylo zařízení naplněné kapalinou. Následně byl proveden krátký test na těsnost všech spojů a na správnou funkčnost celého celku. Nejprve byla ověřena funkčnost oběhového čerpadla. Po naplnění všech částí kapalinou byla sledována těsnost všech spojů. Na závěr byl proveden test na zjištění maximální možné rychlosti, která může být v trubici dosažena. To znamená, že oběhové čerpadlo bylo puštěné na plný výkon. Redukčním ventilem byl postupně zvyšován průtok v trubici. V horní nádobě byla sledována konstantní hladina, tedy jestli není přepad nulový. V koncové nádobě se pomocí kýblové metody měřil maximální objemový průtok trubicí. Po testu, kterým byl ověřen maximální výkon čerpadla následovala možnost plynulé regulace pomocí speciálního kulového ventilu Invar TopBall. Ventilem se postupně otáčelo a každá změna pootočení byla změřena pomocí kýblové metody. Pomocí testů byla ověřená správná činnost celého experimentálního PIV zařízení. Při testování nebyla nalezena žádná netěsnost a zařízení bylo shledáno funkčním. Následně mohl začít proces přípravy na měření. K experimentálnímu PIV zařízení byly nainstalovány komponenty PIV systému DANTEC. Celá sestava je znázorněna na obrázku č. 4.[5] Obr. 4 Sestava celého experimentálního PIV zařízení. Nejprve byl nainstalován rám z hliníkových profilů s pohyblivým upevněním pro kameru. Po vyrovnání rámu byla upevněna kamera. Následně byl nainstalován rám z hliníkových profilů s pohyblivým upevněním pro laser. Po vyrovnání rámu byl nainstalován laser. Dále byly nainstalovány zbylé komponenty, jako počítač s příslušenstvím, synchronizér a základní část laserového zařízení. Vše bylo propojeno pomocí příslušných vodičů. Po zkontrolování správnosti zapojení celého celku, byl nejprve spuštěn počítač a následně software Dantec DynamicStudio. Jako první se nastavil obraz snímané oblasti. S kamerou se postupně pohybovalo pro dosažení co nejvyšší kvality obrazu. Nejvyšší kvalita obrazu byla při umístění objektivu ve vzdálenosti 235 mm od osy symetrie transparentní trubice. Zbylé směry nastaveny tak, aby snímaná oblast byla symetrická trubici a v polovině délky transparentní měřící části trubice. Po odladění snímaného obrazu byla nastavena laserová rovina. Podobně jako s laděním
KLAVÍK Petr, RATKOVSKÁ Katarína kamery se pohybovalo s laserem a to pomocí pohyblivého upevnění, které dovoluje jemné nastavení konečné polohy. Nejprve se nastavila výška světelné roviny tak, aby byla v ose symetrie transparentní trubice. Poté vzdálenost ohniska laseru od osy symetrie transparentní trubice, která byla 585 mm. Na závěr bylo manipulováno s laserem tak, aby jeho osa byla v rovině kamery, tedy v polovině délky transparentní měřící části trubice. Po nastavení PIV komponent byly do kapaliny přidány sytící částice. Po malých dávkách se postupně přidávaly stopovací částice rozmíchané v malém množství kapaliny, až se dosáhlo požadované koncentrace sytících částic v kapalině. Následně byl naplněn měřící prostor kolem transparentní trubice kapalinou. Všechny odrazové plochy v měřící oblasti byly zakryty. Nejprve bylo provedeno kontrolní měření. Byl nastaven redukční ventil a čerpadlo na stupeň výkonu pro měření. Kontrolním měřením byl objeven problém s odrazy světla do snímané roviny. Pomocí tmavých matných prvků okolo měřeného prostoru byly světelné odrazy odfiltrovány. Po odstranění nežádoucích světelných odrazů byla provedena kalibrace. Poté bylo experimentální PIV zařízení připravené k měření. Při měření byla v laboratoři teplota vzduchu i kapaliny 18 ± 0.5 C. Při samotném měření byla nejprve nastavena hodnota průtoku v transparentní trubici. Kdy se pomocí redukčního ventilu nastavila na stupnici hodnota a následně pomocí kýblové metody ověřila. Ukázalo se, že pomocí stupnice na redukčním ventilu nelze přesně nastavit hodnotu průtoku v trubici. Proto pomocí kýblové metody byla požadovaná hodnota doladěna. Po nastavení požadované hodnoty bylo možné začít s měřením. Následně bylo provedeno krátké měření. Toto měření sloužilo k nastavení parametrů v softwaru Dantec DynamicStudio. Poté bylo provedeno měření, které se následně analyzovalo. Celkem bylo provedeno 8 měření při různých hodnotách průtoku v trubici. Analýza z pořízených záznamů z každého měření byla pokaždé shodná. Při měření bylo vždy pořízeno 200 dvoj snímků. Jeden pořízený snímek je patrný na obrázku č. 5. [5] Obr. 5 Záznam PIV obrazu.
Návrh experimentálního PIV zařízení a jeho následná realizace 7. Vyhodnocení měření Pořízené záznamy z každého měření byly shlédnuty. Snímky na kterých byly objeveny vady, např. shluk částic nebo nečistoty v kapalině, které negativně rozptylují světlo z roviny světelného řezu do roviny objektivu kamery, byly odstraněny. Tyto snímky by negativně ovlivnily výsledky měření. Po odstranění nekvalitních snímků byla provedena na zbývajících záznamech analýza. Nejprve byla použita funkce Masking, kterou byla oříznuta oblast okolo proudového pole u každého pořízeného snímku. Následně na upravené záznamy byla použita Adaptive Correlation jejíž výsledkem je vektorové pole pro každý snímek. Pomocí funkce Vector Statistic byla vytvořena jedna vektorová mapa, ze které byl vytvořen rychlostní profil pomocí funkce Profile Plot. Tento postup byl aplikován na každé měření. Výsledný rychlostní profil pro Re = 10 000 je znázorněn na obrázku č. 6. Obr. 6 Rychlostní profil pro hodnotu Re = 10 000. Obr. 7 Rychlostní profil pro hodnotu Re = 1 200.
KLAVÍK Petr, RATKOVSKÁ Katarína Závěr Cílem projektu bylo navrhnout, sestavit sofistikované experimentální zařízení a následně provést měření rychlostních profilů v trubici. Konstrukce celého zařízení byla směřována tak, aby v budoucnu šla lehce poupravit, a tím vyhovovala více uživatelům a jejich požadavkům. Již jsou připraveny nové úlohy, které se budou na experimentálním zařízení měřit. Dále jsou připraveny technické inovace na zařízení, pomocí kterých bude měření snazší a také přesnější. Literatura [1] KOPECKÝ, V.; Laserová anemometrie v mechanice tekutin, Brno, Tribun EU, 2008, ISBN [2] DANTEC. 2D PIV reference manual. Denmark: Dantec Dynamics A/S, 2005. Třídící znak Second edition. ISRC 9040U1752. [3] MALÍK, M. a J. PRIMAS. Technická univerzita v Liberci. [Anemometrické metody] In: Fakulta mechatroniky [online]. 2011, verze 1.1 [cit. 2014-Listopad-10]. Dostupné z: http://www.fm.tul.cz/cs/search/google/ anemometrick%c3%a9%20metody?query=anemometrick%c3%a9%20metody&cx=000 213645443246164844%3At m5kqgqj6fg&cof=forid%3a11&sitesearch= [4] WILLERT, C. et al. Particle image velocimetry a practical guide. second edition. Berlin: Springer, 2007. ISRC ISBN. [5] KLAVÍK P.: Návrh experimentálního PIV zařízení a jeho následná realizace, Soutěžní přehlídka studentských a doktorských prací, Plzeň 2015 ZČU FST, ISBN 978-80-261-0509-1 KLAVÍK Petr, Západočeská univerzita v Plzni, Katedra energetických strojů a zařízení, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, +420 732 275 626, klavik@students.zcu.cz Ing. RATKOVSKÁ Katarína, Západočeská univerzita v Plzni, Katedra energetických strojů a zařízení, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, +420 778 008 160, katkaratkovska@gmail.com