Publication: Advanced algorithms for high resolution turbulent statistics with tomographic PIV
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Publication date
2015-07
Defense date
2015-07-08
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Abstract
Turbulence is a really common and easily observable phenomenon in nature
yet it still represents one of the most important unsolved scientic challenges. At
the present time, Tomographic Particle Image Velocimetry (Tomo-PIV) might
have become the most versatile and accurate experimental method to investigate
three-dimensional turbulent
ows. However, the main weakness of the technique
concerns spatial resolution due to the limited seeding density that can be achieved
without drastically impacting the quality of the tomographic reconstruction and,
consequently, of the measured velocity elds. In planar PIV, ensemble correlation
methods allowed for a great increase in spatial resolution by averaging the correlation
maps of multiple samples. An alternative approach, with potentially higher spatial
resolution, consists on tracking particles on individual exposures and performing
ensemble averages of the cloud of particle pairs on small regions. This method is
typically referred to as Ensemble Particle Tracking Velocimetry (Ensemble PTV).
In this work, an implementation of this technique, both for the two-dimensional and
three-dimensional cases, is presented and validated by performing several synthetic
tests. Besides, a possible optimization of the method through the use of lters is
investigated. The results obtained demonstrate the enormous potential of Ensemble
PTV, especially when compared to standard PIV in 2D and Tomographic PIV in
3D, suggesting that it might bring about a drastic increase in spatial resolution
and therefore contribute to a better understanding of turbulence.
La turbulencia es un fenómeno común y fácilmente observable en la naturaleza, sin embargo, aún representa uno de los más importantes retos científicos sin resolver. Actualmente, la PIV Tomográfica podría haberse convertido en la técnica de medida experimental más versátil y precisa para estudiar flujos turbulentos. No obstante, la resolución espacial que se puede conseguir con esta técnica está limitada por la imposibilidad de aumentar la densidad de partículas sin perjudicar la calidad de la reconstrucción tomográfica y en consecuencia, la validez de los resultantes campos de velocidades. En PIV planar, se ha conseguido una mejora en la resolución espacial mediante el uso de nuevos métodos de correlación (Ensemble correlation) basados en calcular la media de los mapas de correlación obtenidos de múltiples pares de imágenes. Otro método alternativo, con un mayor potencial para aumentar la resolución espacial, consiste en localizar las partículas en cada una de las imágenes y realizar la media conjunta de todas ellas en pequeñas regiones. Este método es comúnmente denominado Ensemble PTV. En este proyecto, dicha técnica es implementada, tanto en 2D como en 3D, y también validada mediante la realización de varios tests. Además, se investiga una posible optimización basada en el uso de filtros. Los resultados obtenidos demuestran el enorme potencial de Ensemble PTV, especialmente notable al comparar con las medidas obtenidas con PIV estándar en 2D y Tomo-PIV en 3D, sugiriendo que este método podría suponer un aumento drástico de la resolución espacial y por tanto contribuir a una mejor comprensión de la turbulencia.
La turbulencia es un fenómeno común y fácilmente observable en la naturaleza, sin embargo, aún representa uno de los más importantes retos científicos sin resolver. Actualmente, la PIV Tomográfica podría haberse convertido en la técnica de medida experimental más versátil y precisa para estudiar flujos turbulentos. No obstante, la resolución espacial que se puede conseguir con esta técnica está limitada por la imposibilidad de aumentar la densidad de partículas sin perjudicar la calidad de la reconstrucción tomográfica y en consecuencia, la validez de los resultantes campos de velocidades. En PIV planar, se ha conseguido una mejora en la resolución espacial mediante el uso de nuevos métodos de correlación (Ensemble correlation) basados en calcular la media de los mapas de correlación obtenidos de múltiples pares de imágenes. Otro método alternativo, con un mayor potencial para aumentar la resolución espacial, consiste en localizar las partículas en cada una de las imágenes y realizar la media conjunta de todas ellas en pequeñas regiones. Este método es comúnmente denominado Ensemble PTV. En este proyecto, dicha técnica es implementada, tanto en 2D como en 3D, y también validada mediante la realización de varios tests. Además, se investiga una posible optimización basada en el uso de filtros. Los resultados obtenidos demuestran el enorme potencial de Ensemble PTV, especialmente notable al comparar con las medidas obtenidas con PIV estándar en 2D y Tomo-PIV en 3D, sugiriendo que este método podría suponer un aumento drástico de la resolución espacial y por tanto contribuir a una mejor comprensión de la turbulencia.
Description
Keywords
Tomographic Particle Image Velocimetry (Tomo-PIV), Turbulent flows, Spatial resolution, Ensemble Particle Tracking Velocimetry (Ensemble PTV), Algorithms