Advanced PIV in flows of industrial interest: errors characterization

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dc.contributor.advisor Nogueira Goriba, José Ignacio
dc.contributor.advisor Legrand, Mathieu
dc.contributor.author Jiménez Sánchez, Roberto
dc.date.accessioned 2018-04-11T11:16:34Z
dc.date.available 2018-04-11T11:16:34Z
dc.date.issued 2017-05
dc.date.submitted 2017-10-27
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/26621
dc.description Mención Internacional en el título de doctor
dc.description.abstract Turbulence is present in many flows of interest and is also one of the dominant factors over relevant phenomena. Some examples are aircraft drag and noise, pollutants dilution and spreading, combustion flames stabilization, etc. As such, it has always gathered much interest from the Fluid Dynamics community. Nevertheless, the problem of turbulence is not completely understood yet. Among the many means to study turbulent flows of interest, the PIV technique is the one on which this PhD focuses. PIV has always been considered of high value for turbulence measurements because of its ability to provide snapshots of the flow spatial distribution. The spatial distribution allows discriminating information with the flow length-scales; this distribution is highly useful as some physical magnitudes are associated with the large scales (e.g. the turbulent kinetic energy) and others to the small scales (e.g. the kinetic energy dissipation rate). In order to study turbulent flows with the PIV technique, it is of importance to know the confidence interval of the PIV measurements. Nevertheless, given the complexity of turbulent flows and of PIV itself the confidence interval is not perfectly determined. Among other matters, the effect of the different error sources in the length-scale information that can be extracted from PIV demands for additional work. Within this framework, this PhD focuses in characterizing the PIV errors produced by the interaction of the laser sheet thickness with turbulent spatial gradients. In addition, as the laser sheet thickness also influences on the errors from out-of-plane motion, and in that error source the time between laser pulses (Δt) comes into play, the interaction between both parameters has also been researched. In order to study the influence of the errors in the length-scale information that can be extracted from PIV, an analysis of functions used in turbulence research to provide lengthscale information has been performed. For the specific case of PIV measurements the second order longitudinal velocity structure function has been found as the most convenient tool. As to the error characterization, the PhD recurs to the following set of tools. Firstly, a bibliographical research has been conducted to list, classify and model theoretically the error sources that can appear in PIV turbulence measurements, with special focus on their relative magnitude and behavior along the flow scales. The low pass filter effect and peak splitting have been identified as the preponderant error sources related to turbulent spatial gradients. In order to isolate their effect from that of other error sources a new tool (called PIV Simulator) has been implemented. In addition, a synthetic image generator is used to create images based on a homogeneous isotropic turbulence flow from a DNS simulation; those images include other error sources not given in the PIV Simulator. Finally a measurement campaign, tailored to checking the coherence of the numerical results in real PIV images, has been completed also. All these tools serve to reveal the errors expected to occur when measuring this type of flows, as well as to show the relative importance of the error under study with respect to other error sources. The results obtained in this work include the total average error of PIV turbulence measurements as well as the length-scale distribution of those errors. In both cases, variations with the time between laser pulses and with the laser sheet thickness are presented. The interaction of the Δt with the laser sheet thickness through turbulent outof- plane motions and turbulent spatial gradients is also clarified. Additionally, the interaction of the errors produced by large displacement differences in the interrogation volume (for large Δt) with image discretization errors (for low Δt) is also characterized. The results of this work allow identifying the smallest turbulent length-scale that has the error under a certain level, due to the influence of the laser sheet thickness. From the results of this work, guidelines for performing optimized PIV turbulence measurements are obtained, in which the errors are meant to be kept to a minimum value. In line with these results, this work also includes error maps of both the instantaneous total error and of the error in the turbulent kinetic energy, as a function of the time delay and the laser sheet thickness.
dc.description.abstract En este doctorado se analiza la capacidad de la técnica de Mono-PIV para medir flujos turbulentos. La turbulencia se da en muchos flujos de interés y además es un factor de gran importancia para muchos fenómenos relevantes. Algunos ejemplos son la resistencia de los aviones y el ruido que producen, la estabilización de llamas de combustión, etc. Por ello, siempre ha atraído el interés de la comunidad científica. Sin embargo, la problemática de los flujos turbulentos aún no está resuelta. Entre las distintas posibilidades para estudiar estos flujos, la técnica de PIV es en la que este doctorado está enfocado. La técnica de PIV siempre ha sido considerada de gran utilidad para estudiar flujos turbulentos, por su capacidad de proporcionar instantáneas de la distribución espacial del flujo. Esta distribución espacial permite discriminar información con las escalas espaciales del flujo, lo cual es de gran utilidad ya que ciertas cantidades físicas están asociadas con las escalas grandes (la energía cinética turbulenta) y otras con las escalas pequeñas (como por ejemplo la disipación de energía cinética). Para estudiar flujos turbulentos con la técnica de PIV, es de importancia conocer el intervalo de confianza de las medidas de PIV. Sin embargo, dada la complejidad de los flujos turbulentos y de la propia técnica de PIV, el intervalo de confianza aún no ha sido determinado. Entre otras cuestiones, el efecto de las distintas fuentes de error en la información de las escalas de longitud que se puede obtener con PIV requiere de trabajo adicional. En este marco de trabajo, esta tesis doctoral está focalizada en caracterizar los errores producidos por la interacción de los gradientes espaciales de turbulencia con el espesor de plano láser. Adicionalmente, como el espesor de plano láser también influye en los errores producidos por movimientos de partículas en perpendicular al plano, y en esta fuente de error el tiempo entre los pulsos láser (Δt) también entra en juego, la interacción entre ambos parámetros también ha sido investigada. Para poder estudiar la influencia de los errores en la información de las escalas de longitud que se puede obtener con PIV, las distintas funciones usadas en investigación de turbulencia con este fin han sido analizadas. La función longitudinal de estructura de segundo orden ha sido identificada como la herramienta más conveniente. En cuanto a la caracterización del error, esta tesis recurre a las siguientes herramientas. En primer lugar, se ha llevado a cabo una investigación bibliográfica para enumerar, clasificar y modelar teóricamente las fuentes de error que pueden aparecer en medidas de PIV de flujos turbulentos, con énfasis especial en su magnitud relativa y su comportamiento con las escalas de longitud. Así, el efecto de filtrado pasa-bajos y la separación de los picos de correlación se han identificado como las fuentes de error más relevantes relacionadas con los gradientes espaciales. Para estudiar su efecto de manera aislada, una nueva herramienta de análisis (llamada “Simulador de PIV”) ha sido implementada. Adicionalmente, un generador de imágenes sintéticas ha sido empleado para crear imágenes basadas en un flujo de turbulencia homogénea e isótropa, obtenido de una simulación DNS. Estas imágenes incluyen otras fuentes de error que no se dan en el PIV Simulator. En último lugar, una campaña de medidas específicamente desarrollada para verificar la coherencia con los resultados numéricos ha sido completada también. El conjunto de estas herramientas permite revelar los errores que se pueden esperar en medidas de PIV de este tipo de flujos, así como mostrar la importancia relativa de los errores objetivo de la tesis comparados con otras fuentes. Los resultados obtenidos en este trabajo incluyen el error total promedio así como la distribución con las escalas de longitud de los errores. En ambos casos, se incluyen variaciones del valor del error con el tiempo entre los pulsos láser y con el espesor de plano láser. Esto permite aclarar el error inducido por la interacción de ambos parámetros. La interacción entre los errores producidos por importantes diferencias de desplazamiento dentro del volumen de interrogación (para Δt alto) y los errores debidos a la información discreta de las imágenes (Δt bajo) también está caracterizada en este trabajo. Los resultados de este trabajo permiten identificar la escala turbulenta más pequeña que tiene el error bajo un cierto nivel, debido a la influencia del espesor de plano láser. Los resultados de este trabajo permiten obtener directrices para realizar medidas de PIV optimizadas, en las que los errores se mantienen a un nivel mínimo. En la misma línea, este trabajo también incluye mapas de error tanto del error total de la velocidad instantánea como del error de la energía cinética turbulenta, en función de Δt y del ancho de plano láser.
dc.description.sponsorship Los trabajos realizados en el trascurso de este doctorado han sido parcialmente financiados por los siguientes proyectos: - TERMOPIV-2: PIV avanzado en flujos de interés térmico (ENE2011 - 28024) y la beca asociada BES-2012-055996. - HOT: European Humidity Optimization Tool. Entidad financiadora: Unión Europea (Clean Sky). SP1-JTI-CS-2013-02-80. In addition, the activities and results obtained in the course of the stays completed by the PhD student have been partly funded by: - The turbulent boundary layer measurements have partly been conducted in the framework of the DFG-project “Analyse turbulenter Grenzschichten mit Druckgradient bei großen Reynoldszahlen mit hochauflösenden Vielkameramessverfahren” (grants KA 1808/14-1 and SCHR 1165/3-1). - The helicopter fuselage model measurements have been partially funded by the European Community’s Seventh Framework Program (FP/2007-2013) for the Clean Sky Joint Technology Initiative under grant agreement number: CSJU-GAMGRC- 2008-01.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Particle image velocimetry
dc.subject.other Turbulence
dc.subject.other Errors characterization
dc.subject.other Image processing
dc.subject.other Velocimetría por imagen de partículas (PIV)
dc.subject.other PIV
dc.subject.other Turbulencia (Ingeniería)
dc.subject.other Proceso de imágenes
dc.subject.other Dinámica de fluidos
dc.title Advanced PIV in flows of industrial interest: errors characterization
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Ingeniería Industrial
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial
dc.relation.projectID Gobierno de España. ENE2011-28024
dc.relation.projectID Gobierno de España. BES-2012-055996
dc.relation.projectID info:eu-repo/grantAgreement/EC/SP1-JTI-CS-2013-02-80
dc.relation.projectID info:eu-repo/grantAgreement/EC/FP7/CSJU-GAM-GRC-2008-001
dc.description.responsability Presidente: Mónica Moroni.- Secretario: Rubén Ventas Garzón.- Vocal: Sara Nauri
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Térmica y Fluidos
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