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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

Particle-Image Velocimetry and the Assignment Problem

verfasst von : Franz-Friedrich Butz, Armin Fügenschuh, Jens Nikolas Wood, Michael Breuer

Erschienen in: Operations Research Proceedings 2016

Verlag: Springer International Publishing

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Abstract

The Particle-Image Velocimetry (PIV) is a standard optical contactless measurement technique to determine the velocity field of a fluid flow for example around an obstacle such as an airplane wing. Tiny density neutral and light-reflecting particles are added to the otherwise invisible fluid flow. Then two consecutive images (A and B) of a thin laser illuminated light sheet are taken by a CCD camera with a time-lag of a few milliseconds. From these two images one tries to estimate the local shift of the particles, for which it is common to use a cross-correlation function. Based on the displacement of the tracers and the time-lag, the local velocities can be determined. This method requires a high level of experience by its user, fine tuning of several parameters, and multiple pre- and post-processing steps of the data in order to obtain meaningful results. We present a new approach that is based on the matching problem in bipartite graphs. Ideally, each particle in image A is assigned to exactly one particle in image B, and in an optimal assignment, the sum of shift distances of all particles in A to particles in B is minimal. However, the real-world situation is far from being ideal, because of inhomogeneous particle sizes and shapes, inadequate illumination of the images, or particle losses due to a divergence out of the two-dimensional light sheet area into the surrounding three-dimensional space, to name just a few sources of imperfection. Our new method is implemented in MATLAB with a graphical user interface. We evaluate and compare it with the cross-correlation method using real measured data. We demonstrate that our new method requires less interaction with the user, no further post-processing steps, and produces less erroneous results. This article is based on the master thesis [5], written by the first coauthor, and supervised by all other coauthors.

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Fußnoten
1
This statement was formalized and rigorously proven by Fabian Gnegel at Helmut-Schmidt-University Hamburg.
 
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Adrian, R.J.: Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annu. Rev. Fluid Mech. 23(1), 261–304 (1991)CrossRef Adrian, R.J.: Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annu. Rev. Fluid Mech. 23(1), 261–304 (1991)CrossRef
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Zurück zum Zitat Barbe, D.F.: Imaging devices using the charge-coupled concept. Proc. IEEE 63(1), 38–67 (1975)CrossRef Barbe, D.F.: Imaging devices using the charge-coupled concept. Proc. IEEE 63(1), 38–67 (1975)CrossRef
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Zurück zum Zitat Butz, F.-F.: Entwicklung und Implementierung eines Algorithmus zur Detektion von Streuteilchen in PIV-Aufnahmen. Angewandte Mathematik und Optimierung, Schriftenreihe AMOS#40. Helmut-Schmidt-University, Hamburg (2016) Butz, F.-F.: Entwicklung und Implementierung eines Algorithmus zur Detektion von Streuteilchen in PIV-Aufnahmen. Angewandte Mathematik und Optimierung, Schriftenreihe AMOS#40. Helmut-Schmidt-University, Hamburg (2016)
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Zurück zum Zitat Butz, F.-F.: Entwicklung und Implementierung von Analysemethoden zum Erfassen von Geschwindigkeitsfeldern mit dem PIV-Verfahren. Angewandte Mathematik und Optimierung, Schriftenreihe AMOS#45. Helmut-Schmidt-University, Hamburg (2016) Butz, F.-F.: Entwicklung und Implementierung von Analysemethoden zum Erfassen von Geschwindigkeitsfeldern mit dem PIV-Verfahren. Angewandte Mathematik und Optimierung, Schriftenreihe AMOS#45. Helmut-Schmidt-University, Hamburg (2016)
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Zurück zum Zitat Raffel, M., Willert, C.E., Kompenhans, J.: Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Engineering online library. Springer, Berlin (1998) Raffel, M., Willert, C.E., Kompenhans, J.: Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Engineering online library. Springer, Berlin (1998)
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Zurück zum Zitat Westerweel, J.: Fundamentals of digital particle image velocimetry. Meas. Sci. Tech. 8(12), 1379–1392 (1997)CrossRef Westerweel, J.: Fundamentals of digital particle image velocimetry. Meas. Sci. Tech. 8(12), 1379–1392 (1997)CrossRef
Metadaten
Titel
Particle-Image Velocimetry and the Assignment Problem
verfasst von
Franz-Friedrich Butz
Armin Fügenschuh
Jens Nikolas Wood
Michael Breuer
Copyright-Jahr
2018
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-319-55702-1_33