Particle-Image Velocimetry Study of a Pediatric Ventricular Assist Device

Particle-image velocimetry (PIV) was used to visualize the flow within an optically transparent pediatric ventricular assist device (PVAD) under development in our laboratory The device studied is a diaphragm type pulsatile pump with an ejection volume of 30 ml per beating cycle intended for temporary cardiac assistance as a bridge to transplantation or recovery in children. Of particular interest was the identification of flow patterns, including regions of stagnation and/or strong turbulence that often promote thrombus formation and hemolysis, which can degrade the usefulness of such devices. For this purpose, phase-locked PIV measurements were performed in planes parallel to the diaphram that drives the flow in the device. The test fluid was seeded with 10 Am polystyrene spheres, and the motion of these particles was used to determine the instantaneous flow velocity distribution in the illumination plane. These measurements revealed that flow velocities up to 1.0 m/s can occur within the PVAD. Phase-averaged velocity fields revealed the fixed vortices that drive the bulk flow within the device, though significant cycle-to-cycle variability was also quite apparent in the instantaneous velocity distributions, most notably during the filling phase. This cycle-to-cycle variability can generate strong turbulence that may contribute to greater hemolysis. Stagnation regions have also been observed between the input and output branches of the prototype, which can increase the likelihood of thrombus formation. [DOI: 10.1115/1.4001252]

Untersuchung der Laufradströmung einer Kreiselpumpe unter Teillastbedingungen mit Hilfe der particle image velocimetry

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2009

Utilization of Particle Image velocimetry in PPOOLEX condensation experiments

Particle Image Velocimetry, PIV, is an optical measuring technique to obtain velocity information of a flow in interest. With PIV it is possible to achieve two or three dimensional velocity vector fields from a measurement area instead of a single point in a flow. Measured flow can be either in liquid or in gas form. PIV is nowadays widely applied to flow field studies. The need for PIV is to obtain validation data for Computational Fluid Dynamics calculation programs that has been used to model blow down experiments in PPOOLEX test facility in the Lappeenranta University of Technology. In this thesis PIV and its theoretical background are presented. All the subsystems that can be considered to be part of a PIV system are presented as well with detail. Emphasis is also put to the mathematics behind the image evaluation. The work also included selection and successful testing of a PIV system, as well as the planning of the installation to the PPOOLEX facility. Already in the preliminary testing PIV was found to be good addition to the measuring equipment for Nuclear Safety Research Unit of LUT. The installation to PPOOLEX facility was successful even though there were many restrictions considering it. All parts of the PIV system worked and they were found out to be appropriate for the planned use. Results and observations presented in this thesis are a good background to further PIV use.

Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation

Der Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse selbsterregter Strömungsphänomene und das dafür notwendige Auswerteverfahren werden in dieser Arbeit beschrieben. Zur Untersuchung von solchen Mechanismen, die in Turbo-Verdichtern als Rotierende Instabilitäten in Erscheinung treten, wird auf Datensätze zurückgegriffen, die anhand experimenteller Untersuchungen an einem ringförmigen Verdichter-Leitrad gewonnen wurden. Die Rotierenden Instabilitäten sind zeitabhängige Strömungsphänomene, die bei hohen aerodynamischen Belastungen in Verdichtergittern auftreten können. Aufgrund der fehlenden Phaseninformation kann diese instationäre Strömung mit konventionellen PIV-Systemen nicht erfasst werden. Die Kármánsche Wirbelstraße und Rotierende Instabilitäten stellen beide selbsterregte Strömungsvorgänge dar. Die Ähnlichkeit wird genutzt um die Funktionalität des Verfahrens anhand der Kármánschen Wirbelstraße nachzuweisen. Der mittels PIV zu visualisierende Wirbeltransport erfordert ein besonderes Verfahren, da ein externes Signal zur Festlegung des Phasenwinkels dieser selbsterregten Strömung nicht zur Verfügung steht. Die Methodik basiert auf der Kopplung der PIV-Technik mit der Hitzdrahtanemometrie. Die gleichzeitige Messung mittels einer zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messung ermöglicht den Zeitpunkten der PIV-Bilder einen Phasenwinkel zuzuordnen. Hierzu wird das Hitzdrahtsignal mit einem FFT-Verfahren analysiert, um die PIV-Bilder entsprechend ihrer Phasenwinkel zu gruppieren. Dafür werden die aufgenommenen Bilder auf der Zeitachse der Hitzdrahtmessungen markiert. Eine systematische Analyse des Hitzdrahtsignals in der Umgebung der PIV-Messung liefert Daten zur Festlegung der Grundfrequenz und erlaubt es, der markierten PIV-Position einen Phasenwinkel zuzuordnen. Die sich aus den PIV-Bildern einer Klasse ergebenden Geschwindigkeitskomponenten werden anschließend gemittelt. Aus den resultierenden Bildern jeder Klasse ergibt sich das zweidimensionale zeitabhängige Geschwindigkeitsfeld, in dem die Wirbelwanderung der Kármánschen Wirbelstraße ersichtlich wird. In hierauf aufbauenden Untersuchungen werden Zeitsignale aus Messungen in einem Verdichterringgitter analysiert. Dabei zeigt sich, dass zusätzlich Filterfunktionen erforderlich sind. Im Ergebnis wird schließlich deutlich, dass die Übertragung der anhand der Kármánschen Wirbelstraße entwickelten Methode nur teilweise gelingt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind.

Particle image velocimetry measurements of turbulent flow within outdoor and indoor urban scale models and flushing motions in urban canopy layers

We investigate the spatial characteristics of urban-like canopy flow by applying particle image velocimetry (PIV) to atmospheric turbulence. The study site was a Comprehensive Outdoor Scale MOdel (COSMO) experiment for urban climate in Japan. The PIV system captured the two-dimensional flow field within the canopy layer continuously for an hour with a sampling frequency of 30 Hz, thereby providing reliable outdoor turbulence statistics. PIV measurements in a wind-tunnel facility using similar roughness geometry, but with a lower sampling frequency of 4 Hz, were also done for comparison. The turbulent momentum flux from COSMO, and the wind tunnel showed similar values and distributions when scaled using friction velocity. Some different characteristics between outdoor and indoor flow fields were mainly caused by the larger fluctuations in wind direction for the atmospheric turbulence. The focus of the analysis is on a variety of instantaneous turbulent flow structures. One remarkable flow structure is termed 'flushing', that is, a large-scale upward motion prevailing across the whole vertical cross-section of a building gap. This is observed intermittently, whereby tracer particles are flushed vertically out from the canopy layer. Flushing phenomena are also observed in the wind tunnel where there is neither thermal stratification nor outer-layer turbulence. It is suggested that flushing phenomena are correlated with the passing of large-scale low-momentum regions above the canopy.

Comprehensive review and application of particle image velocimetry

For a fluid dynamics experimental flow measurement technique, particle image velocimetry (PIV) provides significant advantages over other measurement techniques in its field. In contrast to temperature and pressure based probe measurements or other laser diagnostic techniques including laser Doppler velocimetry (LDV) and phase Doppler particle analysis (PDPA), PIV is unique due to its whole field measurement capability, non-intrusive nature, and ability to collect a vast amount of experimental data in a short time frame providing both quantitative and qualitative insight. These properties make PIV a desirable measurement technique for studies encompassing a broad range of fluid dynamics applications. However, as an optical measurement technique, PIV also requires a substantial technical understanding and application experience to acquire consistent, reliable results. Both a technical understanding of particle image velocimetry and practical application experience are gained by applying a planar PIV system at Michigan Technological University’s Combustion Science Exploration Laboratory (CSEL) and Alternative Fuels Combustion Laboratory (AFCL). Here a PIV system was applied to non-reacting and reacting gaseous environments to make two component planar PIV as well as three component stereographic PIV flow field velocity measurements in conjunction with chemiluminescence imaging in the case of reacting flows. This thesis outlines near surface flow field characteristics in a tumble strip lined channel, three component velocity profiles of non-reacting and reacting swirled flow in a swirl stabilized lean condition premixed/prevaporized-fuel model gas turbine combustor operating on methane at 5-7 kW, and two component planar PIV measurements characterizing the AFCL’s 1.1 liter closed combustion chamber under dual fan driven turbulent mixing flow.

Linjasekoittimensekoituskyvyn määrittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää sekoituskyvyn empiirinen monimuuttujafunktio eräälle dynaamiselle linjasekoittimelle. Monimuuttujafunktio oli tarkoitus kehittää sekoittimen kierrosnopeuden, virtaavien materiaalien ja tilavuusvirtausten perus-teella. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin pääosin dynaamisia linjasekoittimia ja niiden toimintaperiaatteita sekä sekoituskyvyn määrittämiseen soveltuvia mittausmene-telmiä. Sekoitettavien aineiden epähomogeenisuus määritettiin mittaamalla termoelemen-teillä sekoittimen jälkeisen virran lämpötilavaihtelut. Sekoitettavina aineina käy-tettiin kolmea erilaista seosta: vesi-vesi-, kuitususpensio-vesi- ja karboksyylime-tyyliselluloosa-vesiseoksia. Muita muuttujia kokeissa olivat neljä eri sekoittimen kierrosnopeutta, neljä eri päävirran tilavuusvirtausta ja kolme päävirran sekäsii-hen lisättävän sivuvirran suhdetta. Monimuuttujafunktiokehitettiin vain kuitususpensio-vesiajojen pohjalta muilla seoksilla tehtyjen koeajojen osittaisen epäonnistumisen vuoksi. Hallitsevaksi pa-rametriksi monimuuttujafunktiossa osoittautui sekoittimen kierrosnopeus. Osittai-nen epäonnistuminen kokeissa johtui osaksi termoelementtien käytön sopimatto-muudesta sekoituskyvyn määrittämiseen ja osaksi sekoitettavien aineiden valin-nasta. Jatkotutkimuksiaajatellen muista sekoituskyvyn mittaamiseen käytettävissä olevista menetelmistäkäyttökelpoisimmaksi arvioitiin sähkötomografia.

Flokkulaation seuraaminen partikkelikokoanalysaattorilla

Tässä työssä tutkittiin kahden erilaisen partikkelikokoanalysaattorin, PSyA:n ja PIA:n soveltuvuutta flokkuloinnin online-seurantaan. Kummallekin menetelmälle määritettiin raja-arvot, kuten lietteen maksimisakeus. Lisäksi tutkittiin flokkulanttiannostuksen, sekoitusnopeuden, sekoitusajan ja lietteen kiintoainepitoisuuden vaikutusta flokkikokojakaumaan. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin kolloidisen suspension ominaispiirteitä, koaguloinnin ja flokkuloinnin teoriaa, flokkulaation kokeellista tutkimista sekä prosessin jatkuvatoimiseen seurantaan soveltuvia laitteita. Lisäksi esitettiin taustaa hydrometallurgisesta prosessista, johon työ liittyy. Flokkauskokeissa käytettiin jätevettä, jonka koostumus vastasi metalliteollisuuden peittausjätevesien tyypillistä koostumusta. Tutkittava jätevesimäärä käsiteltiin ensin kalkkimaidolla, jonka jälkeen saostunut kiintoaine flokattiin synteettisellä polymeeriflokkulantilla. Lietteen keskimääräinen kiintoainepitoisuus oli n. 10 g/l. Esikokeiden perusteella PSyA:lla voitiin mitata ilman laimennusta, mutta PIA:lla tuloksia ei saatu ilman laimentamista kiintoainepitoisuuteen n. 2,5 g/l. Kokeiden aikana havaittiin, että flokit muodostuivat erittäin nopeasti. Flokkien hajoaminen alkoi pian sen jälkeen, kun flokkulantin annostelu lopetettiin. Sekoitusnopeudella 40 r/min tai alle flokit alkoivat laskeutua astian pohjalle sekoituksesta huolimatta ja ne pysyivät pitempään koossa kuin suuremmilla sekoitusnopeuksilla. 5 - 10 minuutin kuluttua flokkulantin lisäämisestä saavutettiin tasapaino, jolloin flokkien kokojakauma ei enää muuttunut. Sekoitusnopeuksilla 80 r/min ja 120 r/min tasapainotilanteen koko-jakauma oli selvästi kapeampi kuin pienimmällä sekoitusnopeudella. Alkuperäisessä lietteessä flokit olivat suurempia kuin laimennetussa lietteessä. PSyA:lla jännepituusjakaumien määrittäminen oli varsin hidasta prosessissa tapahtuviin muutoksiin verrattuna, ja tuloksissa oli suurta hajontaa. PIA:lla saadut partikkelikokojakaumat sitä vastoin olivat johdonmukaisempia, vaikka suurimpien flokkien määrittäminen osoittautuikin epämääräiseksi. Menetelmän suurimmaksi puutteeksi todettiin soveltumattomuus sakeiden lietteiden analysointiin. Kumpikaan menetelmä ei ilman modifiointia sovellu tutkitun lietteen kaltaisten prosessilietteiden flokkuloinnin seurantaan.