PIV

Particle Image Velocimetry ist ein optisches Messverfah­ren, das die Bewegung winziger Tracerpartikel erfasst, die in einer Flüssigkeit suspen­diert sind. Ein gepulster Laser beleuchtet eine dünne Ebene in der Strömung, und eine Hochgeschwindigkeitskamera zeichnet die Partikelpo­sitionen in aufeinanderfolgenden Bildern auf, die zeitlich in bekannten Abständen von typischerweise 15 bis 100 Mikrosekunden getrennt sind. Eine Software vergleicht dann die Partikelpo­sitionen zwischen den Bildern und berechnet die lokale Fluidgeschwindigkeit an tausenden Punkten gleichzeitig.

Das Verfahren beruht völlig darauf, die Strömung mit neutralauf­triebigen Partikeln zu versehen, üblicherweise 1 bis 100 Mikrometer im Durchmesser, hergestellt aus Materialien wie Polystyrenkugeln oder silberbeschichtetes Glas. Diese Tracer müssen der Flüssigkeit treu folgen, ohne abzusinken oder sich zusammenzuballen. Das Beleuch­tungsblatt, erzeugt durch Führung des Laserstrahls durch zylindrische Optik, wird dünn gehalten, oft nur 1 bis 2 Millimeter, um sicherzustellen, dass Partikel scharf abgebildet werden und um ein zweidimensionales Geschwindig­keitsfeld zu isolieren.

PIV zeichnet sich durch die Auflösung komplexer Strömungsmuster aus: Wirbelkerne in Mischstrahlen, Grenzschicht­ablösung nahe Flugzeugflügeln oder Turbulenzbstatistiken in Rohrströmung. Es liefert Geschwindigkeitsdaten für das gesamte Feld anstelle von Punktmessungen, was es zur Validierung von numerischen Strömungsdynamik­modellen unbezahlbar macht. Allerdings versagt das Verfahren in undurchsichtigen Fluiden, in Strömungen mit sehr hohen Partikelkonzentration­en, die Licht unvorhersehbar streuen, und in Situationen, in denen Tracerpartikel nicht eingeführt werden können oder nicht die Fluiddichte erreichen.

Varianten und Aufbauaspekte

Stereo-PIV nutzt zwei Kameras unter verschiedenen Winkeln, um drei Geschwindigkeitskomponenten aus einer einzelnen Messebene zu erfassen. Volumetrische PIV oder tomographische PIV rekonstruiert die Geschwindigkeit in einem dreidimensionalen Bereich mittels mehrerer Kameraansichten und tomographischer Rekonstruktion. Zeitaufgelöste PIV erfasst Bilder mit Kilohertz-Raten, um instationäre Strömungsdynamik Bild für Bild zu erfassen, erfordert aber extreme Rechenleistung zur Verarbeitung. Im Gegensatz dazu erfasst Standard-PIV zwei Bilder pro Triggerpuls und erzeugt statistische Ergebnisse aus vielen Triggerereignissen.

Der Name spiegelt die Kernphysik wider: Partikel­trajektoren kodieren Fluidbewegung. Der Velocimetry-Teil bezieht sich auf die Geschwindigkeitsmessung; Image deutet auf die optische Detektionsmethode hin. PIV entstand in den 1980er Jahren in Forschungslaboren und ist heute Standard in Aerodynamik, Hydraulik und thermohydraulischen Tests, wobei Kosten und Aufbauko­mplexität es hauptsächlich auf experimentelle Forschung beschränken, anstatt es für industrielle Diagnose vor Ort zu nutzen.