metode moderne de diagnostic al curgerilor înrjbs.ro/scientific article_nastase.pdfnowadays the...

Romanian Journal of Building Services Revista Românǎ de Instalații

Volume 1 / No. 1 / 2015 / www.rjbs.ro

Scientific Article 1

RJBS

Metode moderne de diagnostic al curgerilor în

încăperi. Măsurarea vitezelor cu Imagini de

Particule (PIV)

Ilinca NASTASE

Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Facultatea de Instalaţii

Email: [email protected]

Cristiana CROITORU

Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Facultatea de Instalaţii

Email: [email protected]

Abstract Large scale Particle Image Velocimetry (PIV) may be an efficient method for the investigation of flows generated by the Air Diffusion Terminal Units for buildings. Nowadays the acquired velocity fields may attaint relatively large dimensions. In this paper we wanted to demonstrate the possibility of large fields measurements, adapted to the scale of buildings, and to show some of the possibilities related to this technique. The reconstruction of an extended mean velocity and rms field, allows the evaluation of the spatial distribution of the Percentage of Dissatisfied index. These distributions qualify in terms of comfort of the occupants the flows generated by air diffusion units.

Key words : PIV measurements, Air diffusion Terminals

Rezumat Un mijloc de investigatie a curgerilor generate de unităţi terminale de difuzie a aerului încăperi este tehnica PIV (Măsurarea Vitezelor cu Imagini de Particule) ce permite achiziţia de câmpuri instantanee de viteze de dimensiuni ce astăzi pot ajunge la dimensiuni relativ importante. În cadrul acestui articol am dorit să arătăm posibilitatea de a realiza măsurări ale câmpurilor de viteză cu ajutorul tehnicii PIV, la o scară adaptată domeniului clădirilor, şi posibilităţile oferite de această tehnică în acest domeniu. Reconstituirea unui câmp extins de viteze si fluctuaţii medii permite estimarea distribuţiilor spaţiale ale indicelui de confort PN (procentul de nemulţumiţi) ce permite caracterizarea curgerilor generate de dispozitivele de refulare a aerului din punct de vedere al confortului.

Cuvinte cheie : Masurari PIV, Unitati terminale de difuzie a aerului

1. Introducere Acest articol îşi propune să pună în evidenţă noi posibilităti de investigare a curgerilor aplicate în

domeniul clădirilor şi al confortului ambiant. Mijloacele optice de măsură ale vitezelor fluide au

fost pentru multă vreme prohibitive datorită costurilor deosebit de importante. Dezvoltarea

rapidă din ultimii ani a tehnicilor de fabricare a captorilor CCD şi CMOS precum şi a laserilor au

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]




RJBS

« democratizat » aceste tehnici ce sunt din ce în ce mai folosite în prezent. Mai mult, anumite

aplicaţii « rezervate » investigaţiilor la scară mică « de laborator », devin astăzi posibile şi în

cazul studiilor experimentale realizate în condiţii cât mai reale.

In domeniul nostru, al instalaţiilor, suntem confruntaţi cu o adevarata dilemă dictată de noile

norme de calitate a aerului ce preconizează ambiante sanatoase şi confortabile pe de-o parte,

iar pe de altă parte cu constrangerile legate de diminuarea consumului energetic. Putem să

constatăm totusi ca tehnicile contemporane de refulare a aerului în încăperi nu sunt optimizate

pentru a raspunde simultan la cele doua obiective indisociabile în ziua de astazi : confort termic

şi economie de energie. Problema est deosebit de critica în cazul racirii, caz în care aerul rece

tinde să “cadă” în zona de ocupatie sub efectul fortelor de gravitatie. In opinia noastra, acesta

problematica isi gaseste un raspuns tehnologic la nivelul conceptiei Dispozitivelor Terminale de

Refulare a aerului ce trebuiesc optimizate în raport cu antrenarea aerului ambiant. Ideea

preconizata [1-3] este legata de imbunatatirea grilelor de refulare pentru obtinerea de jeturi de

aer primar mult mai eficiente din punct de vedere al amestecului cu aerul ambiant. O astfel de

abordare necesită însă o serie de investigaţii experimentale ce pot fi destul de dificil de pus în

operă şi destul de imprecise. Un mijloc de investigatie a curgerilor generate de astfel de

dispozitive, deosebit de eficient este tehnica PIV (Măsurarea Vitezelor cu Imagini de Particule)

ce permite achiziţia de câmpuri instantanee de viteze de dimensiuni ce astăzi pot ajunge pâna

la 1mx1m fără precauţii deosebite. În cadrul acestui articol dorim să arătăm posibilitatea de a

realiza măsurări ale câmpurilor de viteză cu ajutorul tehnicii PIV, la o scară adaptată domeniului

clădirilor, şi posibilităţile oferite de această tehnică în acest domeniu.

Deșeurile radioactive ocupă un rol important în diagrama de distribuire a pericolelor mai mult

asupra oamenilor și a sănătății lor decât asupra mediului. Acest aspect se datorează faptului că

intensitatea de propagare a neplăcerilor se manifestă violent pe termen scurt asupra sănătății

oamenilor și treptat, dar sigur, la o intensitate mai mică, asupra calității mediului înconjurător. De

altfel, poluarea mediului înconjurător se face de către om tocmai pentru a minimiza aceste

efecte nedorite, prin construirea depozitelor de deșeuri radioactive, în mijlocul naturii,

compromițând siguranța spațiului respectiv, bineînțeles respectând anumite limite si aplicând

soluții potrivite pentru desfășurarea în bune condiții a activităților de depozitare a deșeurilor

radioactive.

2. Prezentarea metodei PIV

Această tehnică se bazează pe intercorelarea de imagini ale unei curgeri, înregistrate de

senzori de tip CCD sau CMOS. Curgerea este însămânţată în prealabil cu particule fine solide

sau lichide. Principiul esenţial al acestei metode de măsură este determinarea vitezelor locale

ale curgerii pornind de la deplasările locale ale particulelor. Dacă în timpul unui interval de timp

foarte scurt ∆t, o particulă se deplasează din poziţia x la poziţia xx (Figur), viteza locală de

deplasare poate fi exprimată: t

)t,x(x)t,x(v

. În acest scop se înregistrează semnalul Mie

difuzat de particule, pe două imagini succesive, separate în timp cu ∆t. Se aplică apoi un

tratament statistic spaţial de intercorelare asupra imaginilor numerizate în funcţie de nivelul lor




RJBS

de gri. Pentru a putea obţine vectorii locali de viteză, se împart imaginile în ferestre mici numite

maiaj de calcul. Cu cât maiajul este mai fin, cu atât câmpul de viteză este mai bine rezolvat în

spaţiu. Deplasarea este evaluată în subdomeniile definite de maiajul de calcul, prin

determinarea poziţiei maximului de corelare (vârf maxim de corelare). Pentru ca deplasarea cea

mai probabilă calculată să fie corectă, trebuie ca fiecare celulă din maiaj să conţină un număr

suficient de particule. Numărul critic de particule este de 8 într-o celulă [4]. Măsurările sunt

corecte atunci când deplasarea medie, în pixeli, nu depăşeşte sfertul numărului de pixeli ai

dimensiunii celulei maiajului de calcul [4].

Figura 1 : Schema de principiu a anemometriei prin imagini de particule, dupa DANTEC

Vectorul viteză pentru celula j este vectorul viteză cel mai probabil al acestei celule. Factorul de

probabilitate depinde de Raportul Semnal / Zgomot (SNR - Signal to Noise Ratio). Cu cât

valoarea lui RSB va fi mai mare cu atât vectorul calculat va fi mai probabil.Digitalizarea imaginii

induce o discretizare a definiţiei vârfului de corelare. Valoarea deplasării este egală cu un număr

întreg multiplicat cu pasul de pixeli ai imaginii digitale (peak locking sau « blocaj de vârf »).

Această deplasare influenţează dinamica măsurătorilor şi limitează accesul micilor deplasări.

Originea « blocajului de vârf » provine din variaţia nivelului de gri pe un singur pixel. Una din

soluţii constă în mărirea taliei particulelor. Se arată că un număr de cel puţin 3 pixeli este

necesar pentru reprezentarea corectă a unei particule [5]. O altă soluţie pentru

evitarea « blocajului de vârf » este optimizarea determinării poziţiei maximului vârfului de

corelare prin interpolare. Aceasta se realizează cu ajutorul metodelor aşa-numite de precizie

« sub-pixel » dintre care cele mai utilizate folosesc ajustarea vârfului cu o funcţie gausiană (cea

mai apropiată de vârful de corelare).

Tehnica de măsură PIV este perfect adaptată pentru vizualizarea câmpurilor instantanee de

viteză a curgerii. Totuşi, ţinând cont de frecvenţele limitate ale laserelor Yag, sistemele PIV

clasice nu permit accesul la rezoluţia temporală a curgerii turbulente, motiv pentru care




RJBS

câmpurile de viteză 2D măsurate sunt necorelate temporal între ele. Alegerea dimensiunilor

particulelor utilizare pentru măsurări PIV reprezintă adesea un compromis intre necesitatea unui

timp scăzut de relaxare dat de o talie redusa a particulei şi o difuzie suficientă a luminii date de

iluminarea în retro-difuzie sau de o sursa luminoasa de mare intensitate. Pentru a respecta cel

de-al doilea criteriu este mai puţin costisitoare mărirea calităţii particulelor faţă de mărirea

intensităţii sursei luminoase. In general, pentru măsurările PIV, controlul cantităţii de particule

introduse în curgere reprezintă un aspect delicat pentru că pe lângă omogenitatea însămânţării

trebuie asigurată o densitate de particule de minim 8 particule pe celula de interogare. Mai mult,

întotdeauna trebuie examinat numărul mediu de pixeli asociaţi unei particule. Astfel, odată ce

obiectivul camerei şi câmpul de măsură sunt fixate, trebuie verificat daca particula măsoară în

jur de 2 x 2 pixeli². Intr-adevăr, cu cat numărul de pixeli este mai mare, vârful de corelare este

amplificat şi precizia de deplasare medie a particulelor poate fi alterată. Cu cat numărul este mai

mic, fenomenul de « blocaj de vârf » poate apărea, ceea ce introduce erori de calcul în

metodele de evaluare sub-pixel.

3. Prezentarea cazului studiat

Rezultatele prezentate în cadrul acestui articol au fost obţinute in cadrul unui studiu mai larg

dedicat imbunataţirii difuziei aerului în incăperi prin mijloace pasive, adică prin modificarea

geometriei de refulare a jeturilor de aer [1, 2, 6]. In cadrul acestui studiu s-a urmărit printre altele

caracterizarea unor difuzoare de aer de tip panou perforat inovante, cu perforaţii de diferite

forme. Una dintre etapele acestui proiect a constat în compararea câmpurilor de viteză obţinute

în laborator într-o celulă experimentală de dimensiuni 2.25m x 2.25m x 2.15m. Scopul măsurilor

realizate fiind de a compara la scară cât mai reală doua grile de dimensiuni 500m x 500m, şi

caracterizarea celor două curgeri generate din punct de vedere al confortului termic resimţit de

ocupanţi.

L[mm]

H[m

m]

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

PD%

25

20

15

Tôle à perforation en forme de croix

Débit 4000 m3/h par le plafond

PD<15%

PD>25%

20%<PD<25%

15%<PD<20%

Frame 002 09 Mar 2007 Converted Excel Data

Panou

perforat

2.15m

2.5m

a) b) c)

Figura 2: a) Schema celulei experimentale, b) perforaţie circulară, c) perforaţie lobată

Această campanie a fost realizată cu ajutorul unui sistem Dantec compus dintr-o cameră de

înalta sensibilitate FlowSense MKII 4M având o rezoluţie de 106 pixels şi dintr-un laser

Quantel de 200mJ, ce produce un plan luminos cu lungimea de undă de 532nm. Frecvenţa de




RJBS

achiziţie a sistemului este de 7Hz. Etalonarea imaginilor a rezultat într-o rezoluţie spaţială de

0.3mm/pixel ceea ce corespunde unui câmp de vizualizare de 600mm 600mm. Un număr de

şase câmpuri au fost suprapuse, ca în Figura 2 a, pentru a reconstitui un câmp mediu mai mare

pentru a acoperi zona situată între secţiunea de refulare şi centrul zonei de ocupaţie. În fiecare

zonă un număr total de 1000 perechi de imagini a fost obţinut şi transformat cu ajutorul unui

algoritm de corelare adaptativă pe mai multe nivele de grilă ţinând cont de deformarea celulelor

şi deplasarea sub-pixel. Metoda este validată la fiecare nivel dacă valoarea SNR a corelării este

mai mare faţă de un prag fixat la 1.2. In medie, mai puţin de 2% din vectori au fost detectaţi ca

fiind invalizi. Aceştia au fost corectaţi printr-o interpolare biliniară. Grila finală este compusă din

celule de 3232 pixeli² cu 50% acoperire ceea ce poate fi tradus ca fiind un vector la fiecare

16.39 pixeli sau, o rezoluţie spaţială de 36.6 mm. O inspecţie sistematică a histogramelor de

deplasare a particulelor arată o distribuţie bimodală bine discretizată (fără prezenţa « blocajului

de vârf »).

Alegerea unui număr total de perechi de imagini înregistrate pe parcursul unei măsurări PIV a

fost validată prin verificarea convergenţei valorilor medii ale vitezelor U , V si W , şi a

fluctuaţiilor '²u , '²v şi '²w . Pentru aceasta am luat ca valori de referinţă valorile medii

calculate pentru 500 de câmpuri de viteză. In general se admite în literatura de specialitate [7]

că alegerea numărului de imagini trebuie sa se facă în baza convergenţei fluctuaţiilor. Figura

arată o convergenţă satisfăcătoare atât pentru fluctuaţii cât şi pentru vitezele medii în diferite

puncte din zona de investigaţie.

95

97.5

100

102.5

105

0 100 200 300 400 500 600 700

Y=0.6m, Z=0.07m

Y=0.9m, Z=0.07m

Y=1.2m, Z=0.11m

Y=1.5m, Z=0.15m

achizitiidenumar

[%]VaConvergent

a)

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600

Y=0.6m, Z=0.07m

Y=0.9m, Z=0.07m

Y=1.2m, Z=0.11m

Y=1.5m, Z=0.15m

achizitiidenumar

[%]'vaConvergent2

b)

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

0 100 200 300 400 500 600 700

Y=0.6m, Z=0.07m

Y=0.9m, Z=0.07m

Y=1.2m, Z=0.11m

Y=1.5m, Z=0.15m

[%]UaConvergent

achizitiidenumarc)

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600

Y=0.6m, Z=0.07m

Y=0.9m, Z=0.07m

Y=1.2m, Z=0.11m

Y=1.5m, Z=0.15m

achizitiidenumar

[%]'uaConvergent2

d)

Figura 3 : Convergenţa statistică a cantităţilor dinamice : 1) plan secundar, 2) plan transversal




RJBS

Precizia algoritmilor software-ului Flow Manager utilizat, a fost evaluată de Calluaud [8] plecând

de la o imagine reală a unei curgeri în care au fost injectate particule solide cu traiectorie

impusa. Pentru algoritmii “convenţionali” de corelare ce au fost utilizaţi în cadrul acestui studiu,

s-a găsit o rezoluţie de aproximare sub-pixel de ordinul a 1/64 pixeli. Pentru estimarea erorii

sistematice pentru măsurările PIV cu acest sistem a fost utilizată ca referinţă o tehnica LDV

(Laser Doppler Velocimetry) a cărei precizie a fost prealabil validată. Acest studiu a fost realizat

în cadrul unor lucrări anterioare [9]. Astfel eroarea relativă nu depăşeşte 3% pentru

componenta V . Pentru componenta U ., date fiind valorile mai mici, acolo unde viteza scade

sub de 0.2m/s eroarea poate atinge 35%.

4. Rezultate obţinute

În Figura 4a şi b au fost reprezentate câmpurile medii obţinute în planul median al celulei

experimentale, prin procedura de reconstituire arătată mai devreme. Au fost obţinute câmpuri

reconstituite cu dimensiuea finală de 1380x1000mm. Aceste câmpuri, ne-au permis calcularea

indicelui Procentului de persoane Nemulţumite (PN) pentru cele două tipuri de grile testate.

L [mm]

H[m

m]

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

V[m/s]

0.50

0.46

0.41

0.37

0.32

0.28

0.23

0.19

0.14

0.10

0.25m/s

06 Mar 2009 Converted Excel Data

L [mm]

H[m

m]

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

V[m/s]

0.50

0.46

0.41

0.37

0.32

0.28

0.23

0.19

0.14

0.10

0.25m/s

05 Mar 2009 Converted Excel Data

a) b)

Figura 4: Câmpuri vectoriale medii şi curbe de egală viteză pentru cele două tipuri de plafoane

perforate studiate : a) perforaţie circulară, b) perforaţie lobată

Procentul de persoane nemulţumite (PN) de prezenţa unui curent de aer, propus în standardul

ASHRAE 55 – 2004, se poate exprima prin relaţia :

PN = (34 - ta)( va - 0.05)0.62 (0.37x va x Tu + 3.14)

Unde: ta este temperatura aerului (oC), va este viteza medie locală a aerului (m/s) şi Tu este

intensitatea turbulenţei locale (%).

Acest indice de confort permite caracterizarea ambianţelor ventilate din punct de vedere al

gradului de disconfort al ocupanţilor datorat prin mişcării aerului.




RJBS

L[mm]

H[m

m]

0 500 1000

0

200

400

600

800

PN<15%

PN>25%

20%<PN<25%

15%<PN<20%

PANOU PERFORAT


L[mm]

H[m

m]

0 500 1000

0

200

400

600

800

PN<15%

PN>25%

20%<PN<25%

15%<PN<20%

PANOU PERFORAT


a) b)

Figura 5: Isovalori ale indicelui PN, debit de refulare 4000m3/h prin plafon: a) Grilă cu perforaţii

circulare b) Grilă cu perforaţie in lobată

Pentru diferitele tipuri de clădiri, se recomandă următoarele limite ale procentului de persoane

nemulţumite de curenţii de aer : pentru clasa de confort ridicat A se recomandă un PN mai mic

de 15% , pentru clasa de confort mediu B, PN trebuie să fie mai mic de 20% iar pentru clasa de

confort minim C, PN trebuie să fie mai mic de 25%.

În Figura 5 au fost reprezentate distribuţiile spaţiale ale indicelui PN pentru cele două grille

testate. Rezultatele obţinute arată un avantaj în termen de confort al grilei cu perforaţie lobată în

comparaţie cu o grilă cu perforaţie circulară obişnuită.

5. Concluzii

Un mijloc de investigatie a curgerilor generate de unităţi terminale de difuzie a aerului încăperi

este tehnica PIV (Măsurarea Vitezelor cu Imagini de Particule) ce permite achiziţia de câmpuri

instantanee de viteze de dimensiuni ce astăzi pot ajunge pâna la 1mx1m fără precauţii

deosebite. În cadrul acestui articol am dorit să arătăm posibilitatea de a realiza măsurări ale

câmpurilor de viteză cu ajutorul tehnicii PIV, la o scară adaptată domeniului clădirilor, şi

posibilităţile oferite de această tehnică în acest domeniu.

6. Aknowledgements

Această lucrare a fost posibilă prin sprijinul financiar oferit prin PN-II-PT-PCCA-2011-3.2-1212.

7. References

[1] Nastase, I., A. Meslem, and I. Colda. Innovative passive mixing devices for better air

diffusion performance in buildings. in 43-th National Conference, Building services for the

beginning of the third millennia. 2008. Sinaia, Roumanie.

[2] Nastase, I., A. Meslem, and P. Gervais, Primary and secondary vortical structures

contribution in the entrainement of low Reynolds number jet flows. Experiments in Fluids, 2008.

44(6): p. 1027-1033.

[3] Nastase, I. and A. Meslem, Passive control of jet flows using lobed nozzle geometries.

Mécanique & Industries, 2007. 8(2): p. 101-109.




RJBS

[4] Rouland, E., Etude et développement de la technique de Vélocimétrie Par Intercorrélation

d'Images de Particules. 1994, Université de Rouen.

[5] Raffel, M., C. Willert, and J. Kompenhans, Particle Image Velocimetry, ed. Springer-Verlag.

2000.

[6] Nastase, I. and A. Meslem. Lobed jets for improving air diffusion performance in buildings. in

The 29th AIVC Conference. 2008. Kyoto, Japon.

[7] Adrian, R.J., Laser Velocimetry, in Fluid Mechanics Measurements, R.J. Goldstein, Editor.

1983, Springer-Verlag. p. 155-240.

[8] Calluaud, D. and L. David, Stereoscopic particle image velocimetry measurements of the

flow around a surface-mounted block. Experiments in Fluids, 2004. 36(1): p. 53-61.

[9] Nastase, I., Analyse des jets lobés en vue de leur intégration dans les Unités Terminales de

Diffusion d'air. 2007, Université de La Rochelle: Ph.D. Thesis.

metode moderne de diagnostic al curgerilor înrjbs.ro/scientific article_nastase.pdfnowadays the...

Documents