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Novel single Camera Techniques for 3D3C Lagrangian Trajectory Measurements in Interfacial Flows

Voss, Björn Magnus

German Title: Neuartige Messtechniken für die Vermessung von 3D3C Trajektorien in Grenzschichtflussfeldern

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Abstract

This thesis presents two single camera Particle Streak Velocimetry (PSV) techniques that were purpose-built for the measurement of Lagrangian three-dimensional three-component (3D3C) flow information in the turbulent boundary layer of transparent interfaces. Both techniques are based on a particle streak extraction routine that enables a sub-pixel precise extraction of individual particle trajectories. A periodical intensity modulation of the illumination was implemented to increase the temporal resolution of the extracted Lagrangian trajectories. The achieved high spatial and temporal resolution enables quantitative measurements of Lagrangian flow characteristics in the interfacial region of turbulent flow fields. The first measurement technique, called bichromatic Particle Streak Velocimetry (bPSV), uses an absorbing dye and a two-wavelength LED illumination to resolve three-dimensional data that are needed for the extraction of 3D3C trajectories. In the second measurement technique the depth estimation is realized by means of a focused plenoptic camera that records long time exposure light fields. Both techniques were applied to measure interfacial flow fields in a turbulent Rayleigh-Bénard (RB) convection. On the basis of the Lagrangian particle trajectories obtained in the bPSV measurements, acceleration statistics and particle pair dispersion statistics were evaluated. A comparison of the Lagrangian acceleration distribution with two recently published models yielded good agreements. In the extracted Lagrangian particle pair dispersion, transitions between three turbulent regimes (i.e. the Batchelor regime, the Richardson-Obukhov (R-O) regime and the diffusive regime) were observed.

Translation of abstract (German)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei neuartigen (3D3C) Geschwindigkeitsmesssystemen für komplexe 3D-Strömungen in der turbulenten Grenzschicht an transparenten Grenzflächen. Beide Systeme basieren auf der Messung von Particle Streak Velocimetry (PSV)-Daten und auf einem sub-pixel genauen Extraktionsalgorithmus für die Extraktion von Lagrange’schen Einzeltrajektorien. Eine periodische Intensitätsmodulation der Beleuchtung wurde benutzt, um das zeitliche Auflösungsvermögen der Systeme zu erhöhen. Die hohe zeitliche und räumliche Auflösung der so bestimmten Partikeltrajektorien ermöglicht die Extraktion von Lagrange’schen Fluss-Charakteristiken in turbulenten Grenzschichten. In der so genannten bichromatic Particle Streak Velocimetry (bPSV)-Messtechnik wird ein absorbierender Farbstoff in Kombination mit einer Zwei-Wellenlängen LED-Beleuchtung verwendet, um Tiefeninformationen zu messen, die für eine Extraktion von Lagrange’schen (3D3C) Trajektorien benötigt werden. Das zweite Messsystem nutzt eine fokussierte Plenoptische Kamera zur Messung von Lichtfeldern für die Tiefenschätzung. Beide Geschwindigkeitsmesssysteme wurden eingesetzt, um die wasserseitige Grenzschicht an der freien Oberfläche einer turbulenten Rayleigh-Bénard (RB) Konvektion zu vermessen. Die Ergebnisse der bPSV-Messung wurden im Folgenden verwendet, um Lagrange’sche Beschleunigungsstatistiken und Lagrange’sche Paar-Separationsstatistiken zu berechnen. Die so gewonnenen Beschleunigungsstatistiken zeigen eine gute Übereinstimmung mit zwei kürzlich veröffentlichten Modellen, und in den Separationsstatistiken wurden in der Theorie vorhergesagte Übergänge zwischen dem Batchelor Regime, dem Richardson- Obukhov (R-O) Regime und dem anschließenden diffusen Regime beobachtet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Garbe, Dr. PD Christoph S.
Date of thesis defense: 2 May 2012
Date Deposited: 22 May 2012 15:51
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Interfacial flow measurement , partikle streak velocimetry (PSV) , 3D3C lagrangian flow information, single camera method, turbulence characterization
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