Optimization of Particle Image Velocimetry with respect to light requirements

The Institute of Aerodynamics and Flow Technology in Göttingen is one of the world leaders in the field of optical measurement techniques. One of the most used techniques in research investigations is particle image velocimetry (PIV) is. PIV is a non-intrusive optical measurement technique that allows flow velocities to be recorded simultaneously at many points within a measurement plane, facilitating comparison with data obtained from numerical simulations and serving as a valuable validation tool. One of the main features of a PIV setup is a high-power, pulsed light source since the obtained particle image intensity and the contrast of the PIV recordings are directly proportional to the scattered light power. Therefore, to obtain the same result, it is often more effective and economical to increase the image intensity by properly choosing the scattering particles and/or the angle of observation instead of increasing the laser power. An in-line PIV setup was investigated to demonstrate the viability of an innovative approach that leverages the well-established technique by employing the powerful effect of forward scattering in conjunction with a lower-intensity light source. This thesis demonstrates the forward scattering PIV technique in the laboratory and wind tunnel on a cylinder wake, proving the possibility of adopting this alternative approach when it comes to planar PIV recordings.

Il Dipartimento di Aerodinamica e Tecnologia dei Flussi di Göttingen è una delle principali istituzioni a livello mondiale nel campo delle tecniche di misurazione ottica. Una delle tecniche più ampiamente utilizzate in questo contesto è la Velocimetria a Immagini di Particelle (PIV). La PIV è una tecnica di misurazione ottica non invasiva che permette di registrare simultaneamente le velocità del flusso in molteplici punti all'interno di un piano di misurazione. Questo agevola il confronto dei dati con le simulazioni numeriche e rappresenta un prezioso strumento di convalida. Una delle componenti chiave di una configurazione PIV è una sorgente di luce pulsata ad alta potenza. Questo perché l'intensità delle immagini delle particelle registrate e il contrasto delle immagini stesse sono direttamente correlati alla potenza della luce diffusa. Di conseguenza, per ottenere risultati migliori, spesso è più efficace ed economico concentrarsi su altri aspetti, come la scelta delle particelle di diffusione o dell'angolo di osservazione, piuttosto che aumentare la potenza del laser. Questa tesi ha esplorato una configurazione PIV in linea per dimostrare la validità di un approccio innovativo che sfrutta la diffusione in avanti, abbattendo l'uso di sorgenti luminose ad alta potenza. La tesi dimostra l'efficacia della tecnica PIV con diffusione in avanti sia in laboratorio che in galleria del vento, focalizzandosi sulla scia di un cilindro, confermando la possibilità di adottare un approccio alternativo per le registrazioni PIV in piano.