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Development of endoscopic stereoscopic PIV for investigating the IGV-impeller interaction in a centrifugal compressor [Elektronische Ressource] / Arman Mohseni

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DevelopmentofEndoscopicStereoscopicPIVforInvestigatingtheIGV-ImpellerInteractioninaCentrifugalCompressorvon der Fakultät für Maschinenbauder Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannoverzur Erlangung des akademischen GradesDoktor-Ingenieurgenehmigte DissertationvonM. Sc. Arman Mohsenigeboren am 08.05.1974 in Abadan, Iran2010iiKeywords:EndoscopicStereoscopicParticleImageVelocimetry–ImageProcessing–ImageDis-tortion – Image Reconstruction – Partial Differential Equation – Poisson Equation –CentrifugalCompressor–InletGuideVanes–5-HoleAerodynamicPressureProbe–CalibrationofPressureandTemperatureMeasurementSystem–Quasi-steadyCalibra-tionTechniqueStichwortefürdieDokumentation:endoskopischesstereoskopischesParticleImageVelocimetry–Bildverarbeitung–Bild-rekonstruktion–partielleDifferenzialgleichung–Poisson-Gleichung–Radialverdichter–Vorleitgitter–5-Loch-Drucksonde–KalibrierenvondenDruck-undTemperaturmesssys-tem–quasi-stationäresKalibrierverfahrenVorsitzender: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.Friedrich-WilhelmBach1. Referent: Prof. Dr.-Ing. JörgR.Seume2. Prof. Dr. FriedrichDinkelacker3. Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. MarkusRaffelTagderPromotion: 12.Mar.

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Published 01 January 2010
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Language English
Document size 48 MB

DevelopmentofEndoscopicStereoscopicPIV
forInvestigatingtheIGV-ImpellerInteraction
inaCentrifugalCompressor
von der Fakultät für Maschinenbau
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
genehmigte Dissertation
von
M. Sc. Arman Mohseni
geboren am 08.05.1974 in Abadan, Iran
2010ii
Keywords:
EndoscopicStereoscopicParticleImageVelocimetry–ImageProcessing–ImageDis-
tortion – Image Reconstruction – Partial Differential Equation – Poisson Equation –
CentrifugalCompressor–InletGuideVanes–5-HoleAerodynamicPressureProbe–
CalibrationofPressureandTemperatureMeasurementSystem–Quasi-steadyCalibra-
tionTechnique
StichwortefürdieDokumentation:
endoskopischesstereoskopischesParticleImageVelocimetry–Bildverarbeitung–Bild-
rekonstruktion–partielleDifferenzialgleichung–Poisson-Gleichung–Radialverdichter–
Vorleitgitter–5-Loch-Drucksonde–KalibrierenvondenDruck-undTemperaturmesssys-
tem–quasi-stationäresKalibrierverfahren
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.
Friedrich-WilhelmBach
1. Referent: Prof. Dr.-Ing. JörgR.Seume
2. Prof. Dr. FriedrichDinkelacker
3. Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. MarkusRaffel
TagderPromotion: 12.Mar.2010Tomyparents
TooranandMohammadHassan
andmysistersandbrother
Mahzad,Mahsa,andEhsan
iiiiv Abstract/Zusammenfassung
Abstract
Particleimagevelocimetry(PIV)isanon-intrusiveflowmeasurementtechnique,capable
ofcapturingavelocityfieldineitheraseriesofsingleindependentinstantaneousmea-
surements(conventionalPIV),orasequenceofinstantaneousmeasurements(high-speed
PIV). It facilitates qualitative and quantitative study of flow structures in a plane or
in a volume (tomographic PIV). PIV is a measurement technique of intense research
interesttothoseinvestigatingturbomachinery. Inmostofturbomachineryapplications,
the complexity of flow structures require the use of three-component or stereoscopic
PIV(SPIV)andthegeometricalscalesofthemachinesrequiretheuseofendoscopesin
ordertoaccesstheflowchannel. ComparedtothetraditionalPIV,theintroducedimage
distortioninendoscopicSPIVisofhigherorderandisasourceoferrorinmeasurements.
Inthepresentwork,anendoscopicSPIVsetupisdevelopedforflowinvestigationsat
theinletofaprocesscentrifugalcompressor. Basedonpartialdifferentialequations,a
newimagereconstructionmethodispresented,whichiscapableofresolvinghighorder
distortionsoftheendoscopicimaging. Inordertoimprovethemeasurementaccuracy,
a method for the calibration of pressure and temperature signals under quasi-steady
conditionsfortheexistingmeasurementsystemisdeveloped. Finally,severalaspectsof
theapplicationofSPIVattheinletofthecompressortogetherwithatypicalresultare
presentedforthefirsttime.
Zusammenfassung
ParticleImageVelocimetry(PIV)isteinestörungsfreieMessmethode,dieesermöglicht,
dasGeschwindigkeitsfeldentwederineinerFolgevonunabhängigenmomentanenAuf-
nahmen (konventionelles PIV) oder eine Reihe von momentanen Aufnahmen (High-
Speed-PIV)zuerfassen. EsermöglichtdiequalitativeundquantitativeUntersuchung
derStrömungsstrukturenineinerEbeneoderineinemVolumen(tomographischesPIV).
PIVistvonintensivemForschungsinteresseinTurbomaschinuntersuchungen. Inmeisten
Anwendungen in Turbomaschinen die Komplexität der Bauart erfordert den Einsatz
von drei-Komponenten- oder stereoskopischen PIV (SPIV). Geometrischen Größen
der Maschinen erfordern den Einsatz von Endoskopen, um den Strömungskanal zu
erreichen. Im Vergleich zum traditionellen PIV, ist die eingeführte Bildverzerrung in
endoskopischen Aufnahen von höherer Ordnung und ist eine Quelle der Messunge-
nauigkeit. In der vorliegenden Arbeit wird ein endoskopischer SPIV-Aufbau für die
Stömungsuntersuchungen am Eintritt eines Radialverdichters entwickelt. Basiert auf
partiellen Differenzialgleichungen, wird ein neues Bildrekonstruktionsverfahren für
dieDatenverarbeitunghochverzerrtenBildernvorgestellt. UmdieMessgenauigkeitzu
verbessern, wird ein Verfahren für die Kalibrierung von Druck- und Temperatursig-
nale unter quasi-stationären Bedingungen für das bestehende Messsystem entwickelt.
SchließlichwerdenerstmalseinigeAspektederAnwendungvonSPIVamEintrittdes
RadialverdichterszusammenmiteinemtypischenErgebnisdargestellt.Acknowledgments v
Acknowledgments
IwouldliketoexpressmybestthankstoProf. Dr.-Ing. JörgR.Seumeforprovidingme
theopportunityofresearchworkattheInstituteofTurbomachineryandFluidDynamics
(TFD)andenteringmetothebeautifulworldofflowmeasurementsandthechallenging
field of turbomachinery. I gratefully appreciate his continuous support and valuable
guidanceduringthedevelopmentofthiswork. Iwishtoexpressmyappreciationand
thankstoProf. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Friedrich-WilhelmBachforchairing
thethesiscommitteeandProf. Dr. FriedrichDinkelackerforacceptingtheevaluation
ofthisresearchworkandalsotoProf. Dr.-Ing. habil. MarkusRaffelforacceptingthe
evaluationofthisworkandforhissupportandhelpfuladviceduringthedevelopmentof
thePIVsetupforthemeasurementsonthecompressortestfacility.
Iwishtoexpressmythanksandgratitudetothefollowingpeople, whosesupporthas
madethisresearchworkpossibleandhashelpedtheenhancementofitsqualityinseveral
ways:
Dr.-Ing. Joachim Runkel and Dr.-Ing. Yavuz Gündogdu as senior engineers for their
supportandguidanceespeciallyduringtheexperimentalpartofthiswork;Dr.-Ing. Erik
GoldhahnfortheinformativeanddetaileddiscussionsonthePIVmeasurementtechnique
and for the introduction to the compressor test facility; Dipl.-Ing. Jasper Kammeyer,
as group leader, and Dipl.-Ing. Michael Bartelt for their wonderful cooperation and
help during the experimental part of this research work; my colleagues at TFD for
theirsupportandforprovidingafriendlyatmosphere,especially,mycolleaguesinthe
secretariat and accountancy for their kind, sincere, and perfect support; the technical
staff and different disciplines in the workshop including manufacturing, electronics,
sensors, mechanical, and electrical at TFD for detailed discussions, informative talks,
helpfulopinionsandadvice,andeffectivecooperationduringthedesign,construction,
installation, and measurements; Mr. Raimund Fraatz, Mr. Johannes Peter, Mr. Tore
Fischer,andMr. JanTerelakfortheirhelpduringtheinstallation,tests,andcalibration
of the measurement system; my family, to whom this research work is dedicated, my
relatives,andfriendsforalloftheirsupportandencouragement.
I wish to express my intense gratitude to the German Academic Exchange Service
1(DAAD )forthefundingofthisresearchworkoverthepastfouryearsandwouldliketo
expressmythankstotheDAADstafffortheirperfectsupport.
1DAAD:DeutscherAkademischerAustauschDienstContents
Abbreviations ix
ListofFigures xi
ListofTables xv
ListofSymbols xvii
MathematicalDefinitions xxi
1 Introduction 1
2 DistortionCompensationofDigitalImages 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Calibrationgrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Gridrecognitionindigitalimages . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Refinementofnodecoordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4 Gridrefinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Back-transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 MappingbyPoissonequation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3 Discretization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 Computationofthesourcefunctions . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.5 Boundaryandinternalconditions . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.6 SolutionofPoissonequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Imagereconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 TheoryofLocalMeasurementsunderQuasi-SteadyConditions 37
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Zero-driftofpressuresensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
viiviii Contents
3.4 Calibrationoflocalmeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Correlationfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 Analysisofmeasureddata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.7 Propagationoferror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 VelocityMeasurementattheCompressorInletbyPressureProbes 53
4.1 Thetestfacility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Pressureandtemperaturemeasurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 Zero-driftofpressuresensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Calibration of and temperature measurement loops in quasi-
steadyconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Velocitymeasurementby5-holepressureprobes . . . . . . . . . . . . 59
4.6 Resultsofvelocitymeasurementsbypressureprobes . . . . . . . . . . 64
5 PIVMeasurementattheCompressorInlet 71
5.1 EndoscopicSPIVsetupatthecompressorinlet . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.4 Dataanalysisandresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 ConclusionsandFutureWork 87
Bibliography 89
A PolynomialFitwiththeMethodofLeastSquares 93
B SplineInterpolation 95
C GaussianFunction 97
D NonlinearFunctionFitting 101
E Discretization 107
F CalibrationCorrelationsof5-holePressureProbes 109
GCharts 115
CurriculumVitae 123Abbreviations
amb Ambient
CCD Chargecoupleddevice
DAAD DeutscherAkademischerAustauschDienst
DEHS Di-ethyl-hexyl-sebacate
emf electromotiveforce
FDM Finitedifferencemethod
HWA Hot-wireanemometry
IGV Inletguidevane
L2F Lasertwo-focusvelocimetry
LDA LaserDoppleranemometry
LDV Laservelocimetry
LTV Lasertransitv
Nd:YAG NeodymiumYttriumAluminumGarnet
PDE Partialdifferentialequation
PIV Particleimagevelocimetry
SPIV Stereoscopicparticleimagevelocimetry
TFD InstituteofTurbomachineryandFluidDynamics
Typ. Typical
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