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Dr. Eckhard Krepper
Computational Fluid Dynamics
e.krepperAthzdr.de
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Videometrie

Zielstellung

Die Videometrie stellt eine geeignete Messmethode zur Untersuchung von Zweiphasenströmungen in optisch (teil-)transparenten Strömungskanälen (Plexiglaskanäle, Metallgefäße mit optischem Fenster) dar. Dabei werden Bildsequenzen der Strömung mit einer Videokamera aufgezeichnet. Aus den gewonnenen Bildern können mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen physikalische Strömungsparameter, wie Geschwindigkeitsfelder der Phasengrenzfläche, Blasengrößenverteilungen und Koaleszenz- bzw. Break-Up-Raten für die Gasblasen bestimmt werden. Durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras können schnelle Strömungsvorgänge noch sehr gut erfasst werden. Ebenso bestehen viele Freiheitsgrade bei der Wahl der Aufnahmegeometrie (Mono- und Stereobildgebung) und Beleuchtung (Transillumination, Reflexionsmodus, Lichtsschnitttechnik). Probleme bereiten insbesondere Flüssigkeits-Gas-Strömungsformen mit hohem Gasgehalt bzw. hohem Dispersionsgrad der Gasphase. Aufgrund der komplexen Lichtbrechungsvorgänge an der Phasengrenze können die im optischen Strahlweg hintereinander liegenden Phasengrenzen im Bild nicht weiter unterschieden werden. Um dennoch beispielsweise eine sichere Identifikation von Einzelblasen bzw. eine sichere Beschreibung von Phasengrenzflächengeometrien zu erreichen, sind intelligente Bildverarbeitungsverfahren erforderlich, die möglichst viele Informationen aus den dreidimensionalen Bildsequenzen gemeinsam mit vorhandenem a-priori-Wissen nutzen. Mit der in der Abteilung verfügbaren Hochgeschwindigkeits-Videometrietechnik werden Zweiphasenströmungen in horizontalen und vertikalen Testsektionen von Strömungsschleifen untersucht. Darüber hinaus werden Bildverarbeitungslagorithmen zur Verfolgung von Einzelblasen sowie zur Bestimmung von Strömungskenngrößen erarbeitet. Besonders hervorzuheben ist ein Verfahren zur endoskopisch-videometrisch Vermessung von Mikroblasen.

Aufbau des Messsystems

Die Abteilung verfügt über Standard-Videokamera-Technik sowie zwei Hochgeschwindigkeits-Videokameras:

Kamera Redlake Motion Pro Kodak Motion Corder Analyzer SR-Ultra
Auflösung 1280 x 1024 bei 1000 fps 256 x 240
Graustufen 256 256
Bildrate bis zu 10 kHz bis zu 10 kHz
Betriebsart Steuerung über PC (Bildrate, Auflösung, Verschlussgeschwindigkeit usw.) Bildaufnahme mit Recorder
Übertragung der Einzelbilder mittels SCSI an PC

Die nebenstehende Abbildung zeigt beispielhaft den Einsatz der Hochgeschwindigkeits-Videokamera an einer vertikalen Strömungssäule. Die Beleuchtung des Objektes erfolgt diffus mittels einer hinter der Säule angeordneten und durch zwei 1000 W-Strahler beleuchteten weißen Schirmwand. Die in der Säule aufsteigenden Gasblasen werden im Durchlichtverfahren aufgenommen und erscheinen in den Bildsequenzen als dunkle Schatten mit einem durch die Art der Beleuchtung bedingten zentralen hellen Areal (weißer Fleck), ganz rechts.

  Foto einer Messanordnung mit Hochgeschwindigkeits-Videokamera   Original-Bitmap

Bildverarbeitung

Nach Aufnahme der Bildsequenzen werden die Rohbilder im Rechner in einer für die weitere Diagnostik sinnvollen Weise vorverarbeitet. Unter anderem werden

  • Helligkeits- und Kontrastausgleich,
  • Histogrammequalisierung,
  • Hintergrundsubtraktion und
  • Binarisierung

durchgeführt. Die Identifikation von Einzelblasen erfolgt mit Hilfe eines iterativen Füllalgorithmus. Dieser findet sogenannte Blasencluster (d. h. Mengen von schwarzen Pixeln, die über Nachbarschaftsbeziehung direkt miteinander verbunden sind). Die Auflösung der Blasencluster in Einzelblasen ist eine Zielstellung der nachfolgenden Bildverarbeitungsalgorithmen. Dazu werden unter anderem Informationen über den weißen Fleck, Kanteninformationen sowie Informationen aus der graphenbasierten Darstellung der zeitlichen Evolution des Blasenclusters genutzt.
Neben der Bestimmung von Blasengrößenverteilungen mit Hilfe der Identifikation von Einzelblasen besteht ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt in der Bestimmung von lokalen Geschwindigkeits- und Dispersionsprofilen sowie von Koaleszenz und Break-Up-Koeffizienten. Dazu werden in den Bildsequenzen Blasentrajektorien verfolgt.

  Animiertes GIF zur Bildverarbeitung

Anwendungsbeispiele

Mit den verwendeten Bildverarbeitungstechniken kann eine große Anzahl von Strömungsbedingungen untersucht werden, z. B.

Analyse von Blasentrajektorien,   Wechselwirkung des Gittersensors mit Gasblasen (links: seitliche Beobachtung mit Hochgeschwindigkeitskamera, rechts: Visualisierung der Gittersensordaten)
Animiertes GIF zur Analyse von Blasentrajektorien     Anklicken für Video
(AVI-Video; 0,7 MB alternativ: Indeo 0,9 MB )

Untersuchung von Strömungsformen in einem horizontalen Kanal.

Anklicken für Video
(AVI-Video; 1,0 MB)

Publikationen

  • Experimental and Numerical Studies of Flow in Rectangular Bubble Columns.
    The 10th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-10)
    Seoul, Korea, October 5-9, 2003.
    Reddy Vanga, B. N.; Krepper, E.; Prasser, H.-M.; Zaruba, A.; Lopez de Bertodano, M. A.

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