Trennung der Phasen in der nicht-reagierenden Strömung

Aus den Rohbildern wurden zuerst die Tracer- und Partikelsignale extrahiert, bevor die einzelnen Phasen mit PIV- und PTV-Algorithmen ausgewertet wurden. Dafür mussten die Partikelsignale aus den Rohbildern entfernt werden, um Tracerbilder für die Auswertung der Gasphase zu bekommen. Die zuvor entfernten Partikelsignale ergaben wiederum die Partikelbilder für die Auswertung der Partikelgeschwindigkeit.

In Abbildung 5.5 können die Bearbeitungsschritte anhand eines Bildausschnittes nachvollzogen werden. In dem Ausschnitt des Rohbildes (Abbildung 5.5 links oben) sind zwei deutlich unterscheidbare Signalformen zu sehen. Ein paar sehr helle räumlich ausgedehnte Signale, die von den Partikeln erzeugt wurden und viele schwächere, nur wenige Pixel große Signale, die von den Tracern erzeugt wurden. Die Signale lassen sich zum einen durch ihre Größe, der Anzahl an verbundenen Pixeln, zum anderen anhand ihrer Signalintensität unterscheiden.

Die Signale der Tracer weisen eine hohe Raumfrequenz auf und lassen sich über die Filterung des Bildes mit einem Rauschfilter deutlich reduzieren. Durch die Filterung wird der Unterschied in der Signalintensität von Tracern und Partikeln weiter erhöht. Für die Rauschfilterung wurde zweimal ein zweidimensionaler Wiener-Filter mit einer Filterweite von 3 x 3 Pixeln angewandt. Im gefilterten Bildausschnitt (Abbildung 5.5 oben rechts) ist zu sehen, dass die Intensitätsmaxima der Tracerssignale deutlich abgeschwächt wurden. Die Form und Größe der Partikelsignale wurde jedoch kaum verändert.

Die gefilterten Bilder wurden mithilfe eines Schwellwertes von 1000 Counts binarisiert, sodass eine Maske für die Objektbestimmung entstand. Mit einer 3 x 3 Pixel Dilatation wurde jedes Objekt in der Maske aufgeweitet, damit nicht nur das Zentrum des Signals von der Maske erfasst wird.

Mithilfe der binären Maske wurde jedes Objekt lokalisiert und seine Größe und Intensität aus den

Rohbildern bestimmt. Die Größe wurde definiert als Anzahl an zusammenhängenden Pixeln und die Intensität als Mittelwert der Pixelcounts. Jedes Objekt mit einer Größe von 10 oder mehr und einer Intensität von mehr als 1000 Counts wurde der Partikelphase zugeordnet. Um das Optimum für die Parameter bei der Phasentrennung zu finden, wurden verschiedene Werte für Schwellwert und Intensität getestet und die Fehler der berechneten Geschwindigkeiten mit der weiter unten erklärten Methode bestimmt. Aus der Fehlerbetrachtung ergab sich der genannte Wert.

Abbildung 5.5: Einzelne Schritte beim Trennen der Phasen in der nicht-reagierenden Zweiphasenströmung. Links oben: Bildausschnitt eines Rohbildes, rechts oben: gefilterter Bildausschnitt, links unten: Ausschnitt des Tracerbildes, rechts unten: Ausschnitt des Partikelbildes.

Im Folgenden werden mögliche Fehlerquellen bei der Phasentrennung aufgezeigt und erläutert.

1. Beleuchtung: Der verwendete Laser hat ein annähernd gaußförmiges Intensivitätsprofil in beiden Richtungen (Höhe und Breite). Der Lichtschnitt weist deshalb im Querschnitt ebenfalls einen gaußförmigen Intensitätsverlauf auf. Somit werden Partikel im Zentrum des Lichtschnitts stärker beleuchtet als am Rand. Weiterhin können Partikel, die sich in unmittelbarer Nähe des Lichtschnitts befinden, durch Mehrfachstreuung beleuchtet werden. Beides kann dazu führen, dass Partikel zu schwach beleuchtet werden, um als solche erkannt zu werden und daher im Tracerbild verbleiben. In der Regel erzeugen diese Partikel nicht das Korrelationsmaximum in der PIV-Auswertung. Wenn jedoch die Korrelation durch andere Einflüsse beeinträchtigt wird, können diese Partikel die berechnete Gasphasengeschwindigkeit verfälschen.

5.3 Geschwindigkeitsmessungen in den Zweiphasenströmungen 2. Halos: Eine zweite Fehlerquelle sind die Halos von großen Partikeln. Als Halos werden in dieser Arbeit die Ränder der Signale der Partikel bezeichnet, die im Tracerbild zurückbleiben. Je größer der Partikel ist, desto größer wird auch das erzeugte Signal. Bei den großen Partikeln reicht die verwendete Dilatation nicht immer aus, um das Signal der Partikel vollständig zu erfassen. Dann kann ein Halo zurückbleiben. Ein solcher Halo ist in Abbildung 5.5 im Tracerbildausschnitt um das große entfernte Partikelsignal herum zu sehen. In Regionen mit hoher Partikelbeladung wird auch ein großer Teil im Tracerbild entfernt, sodass nur wenige Tracer zur Korrelation übrigbleiben. In diesen Regionen können die Halos ein Korrelationsmaximum erzeugen, das die Partikelgeschwindigkeit und nicht die Gasgeschwindigkeit repräsentiert.

3. Partikelposition: Für die Bestimmung der Partikelgeschwindigkeiten wird an die Korrelationskarte während der PTV-Prozessierung ein Gaußprofil angefittet. Die Signale der großen Partikel werden durch den Algorithmus teilweise am Rand beschnitten. Wenn der Partikel in den zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen unterschiedlich beleuchtet wurde, zum Beispiel durch eine Bewegung normal zur Messebene, ist es möglich, dass die Bestimmung der Partikelposition variiert. Auch durch Sättigung der Kamera im Zentrum des Partikels kann eine Ungenauigkeit in der Partikelpositionsbestimmung entstehen. Beides bedingt einen statistischen Fehler in der Partikelgeschwindigkeit.

Der Fehler, der sich aus der Trennung der Phasen ergibt, wurde mit einer in [56] vorgestellten Methode bestimmt. In Abbildung 5.6 ist die Methode in einem Flussdiagramm skizziert. Es wurden Messungen durchgeführt, in denen jeweils nur Tracer oder Partikel in der Strömung vorhanden waren. Die Bilder beider Messungen wurden in der Nachbearbeitung übereinandergelegt, sodass Bilder entstehen, die beide Phasen beinhalten. Diese Bilder spiegeln zwar keinen physikalischen Zustand der Strömung wieder, weisen jedoch die gleichen Eigenschaften auf, wie die Bilder aus den Messungen mit Tracern und Partikeln. Die überlagerten Bilder wurden, wie die eigentlichen Messungen, mit dem Phasentrennungsalgorithmus in Tracer und Partikel getrennt und mit PIV und PTV ausgewertet. Die PIV- und PTV-Auswertung der einphasigen Tracer- bzw.

Partikelmessungen diente als Referenz. Die Referenz ist das Ergebnis, das bei einer optimalen Phasentrennung der überlagerten Bilder entstehen sollte. Durch Subtraktion der Referenzgeschwindigkeitsfelder von den Geschwindigkeitsfeldern aus den überlagerten Bildern ergibt sich der Fehler aus dem Trennungsalgorithmus. Für die Messungen zur Fehlerbestimmung wurde derselbe Messaufbau mit denselben Einstellungen verwendet.

Abbildung 5.6: Flussdiagram für die Bestimmung des Fehlers der Phasentrennung.