Dissertations / Theses on the topic '3D PTV'

Die 3D Particle Tracking Velocimetry (3D PTV) ist eine Methode zur bildbasierten Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Gas- oder Flüssigkeitsströmungen. Dazu wird die Strömung mit Partikeln markiert und durch ein Mehrkamerasystem beobachtet. Das Ergebnis der Datenauswertung sind 3D Trajektorien einer großen Anzahl von Partikeln, die zur statistischen Analyse der Strömung genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene neu entwickelte Modelle gezeigt, die das Einsatzspektrum vergrößern und die Leistungsfähigkeit der 3D PTV erhöhen. Wesentliche Neuerungen sind der Einsatz eines Spiegelsystems zur Generierung eines virtuellen Kamerasystems, die Modellierung von komplex parametrisierten Trennflächen der Mehrmedienphotogrammetrie, eine wahrscheinlichkeitsbasierte Trackingmethode sowie eine neuartige Methode zur tomographischen Rekonstruktion von Rastervolumendaten. Die neuen Modelle sind an drei realen Experimentieranlagen und mit synthetischen Daten getestet worden. Durch den Einsatz eines Strahlteilers vor dem Objektiv einer einzelnen Kamera und vier Umlenkspiegeln, positioniert im weiteren Strahlengang, werden vier virtuelle Kameras generiert. Diese Methode zeichnet sich vor allem durch die Wirtschaftlichkeit als auch durch die nicht notwendige Synchronisation aus. Vor allem für die Anwendung im Hochgeschwindigkeitsbereich sind diese beiden Faktoren entscheidend. Bei der Beobachtung von Phänomenen in Wasser kommt es an den Trennflächen verschiedener Medien zur optischen Brechung. Diese muss für die weitere Auswertung zwingend modelliert werden. Für komplexe Trennflächen sind einfache Ansätze über zusätzliche Korrekturterme nicht praktikabel. Der entwickelte Ansatz basiert auf der mehrfachen Brechung jedes einzelnen Bildstrahls. Dazu müssen die Trennflächenparameter und die Kameraorientierungen im selben Koordinatensystem bekannt sein. Zumeist wird die Mehrbildzuordnung von Partikeln durch die Verwendung von Kernlinien realisiert. Auf Grund von instabilen Kameraorientierungen oder bei einer sehr hohen Partikeldichte sind diese geometrischen Eigenschaften nicht mehr ausreichend, um die Mehrbildzuordnung zu lösen. Unter der Ausnutzung weiterer geometrischer, radiometrischer und physikalischer Eigenschaften kann die Bestimmung der 3D Trajektorien dennoch durchgeführt werden. Dabei werden durch die Analyse verschiedener Merkmale diejenigen ausgewählt, welche sich für die spatio-temporale Zuordnung eignen. Die 3D PTV beruht auf der Diskretisierung der Partikelabbildungen im Bildraum und der anschließenden Objektkoordinatenbestimmung. Eine rasterbasierte Betrachtungsweise stellt die tomographische Rekonstruktion des Volumens dar. Hierbei wird die Intensitätsverteilung wird im Volumen rekonstruiert. Die Bewegungsinformationen werden im Anschluss aus den Veränderungen aufeinander folgender 3D-Bilder bestimmt. Durch dieses Verfahren können Strömungen mit einer höheren Partikeldichte im Volumen analysiert werden. Das entwickelte Verfahren basiert auf der schichtweisen Entzerrung und Zusammensetzung der Kamerabilder. Die entwickelten Modelle und Ansätze sind an verschiedenen Versuchsanlagen erprobt worden. Diese unterschieden sich stark in der Größe (0,5 dm³ – 20 dm³ – 130 m³) und den vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten (0,3 m/s – 7 m/s – 0,5 m/s)
3D Particle Tracking Velocimetry (3D PTV) is an image based method for flow field determination. It is based on seeding a flow with tracer particles and recording the flow with a multi camera system. The results are 3D trajectories of a large number of particles for a statistical analysis of the flow. The thesis shows different novel models to increase the spectrum of applications and to optimize efficiency of 3D PTV. Central aspects are the use of the mirror system to generate a virtual multi camera system, the modelling of complex interfaces of multimedia photogrammetry, a probability based tracking method and a novel method for tomographic reconstruction of volume raster data. The improved models are tested in three real testing facilities and with synthetic data. Using a beam splitter in front of the camera lens and deflecting mirrors arranged in the optical path, a four headed virtual camera system can be generated. This method is characterised by its economic efficiency and by the fact that a synchronisation is not necessary. These facts are important especially when using high speed cameras. When observing phenomena in water, there will be refraction at the different interfaces. This has to be taken into account and modelled for each application. Approaches which use correction terms are not suitable to handle complex optical interfaces. The developed approach is based on a multiple refraction ray tracing with known interface parameters and camera orientations. Mostly the multi image matching of particles is performed using epipolar geometry. Caused by the not stable camera orientation or a very high particle density this geometric properties are not sufficient to solve the ambiguities. Using further geometrical radiometrical and physical properties of particles, the determination of the 3D trajectories can be performed. After the analysis of different properties those of them are chosen which are suitable for spatio-temporal matching. 3D PTV bases on the discretisation of particle images in image space and the following object coordinate determination. A raster based approach is the tomographic reconstruction of the volume. Here the light intensity distribution in the volume will be reconstructed. Afterwards the flow information is determined from the differences in successive 3D images. Using tomographic reconstruction techniques a higher particle density can be analysed. The developed approach bases on a slice by slice rectification of the camera images and on a following assembly of the volume. The developed models and approaches are tested at different testing facilities. These differ in size (0.5 dm³ – 20 dm³ – 130 m³) and flow velocities (0.3 m/s – 7 m/s – 0.5 m/s)

Die 3D Particle Tracking Velocimetry (3D PTV) ist eine Methode zur bildbasierten Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in Gas- oder Flüssigkeitsströmungen. Dazu wird die Strömung mit Partikeln markiert und durch ein Mehrkamerasystem beobachtet. Das Ergebnis der Datenauswertung sind 3D Trajektorien einer großen Anzahl von Partikeln, die zur statistischen Analyse der Strömung genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene neu entwickelte Modelle gezeigt, die das Einsatzspektrum vergrößern und die Leistungsfähigkeit der 3D PTV erhöhen. Wesentliche Neuerungen sind der Einsatz eines Spiegelsystems zur Generierung eines virtuellen Kamerasystems, die Modellierung von komplex parametrisierten Trennflächen der Mehrmedienphotogrammetrie, eine wahrscheinlichkeitsbasierte Trackingmethode sowie eine neuartige Methode zur tomographischen Rekonstruktion von Rastervolumendaten. Die neuen Modelle sind an drei realen Experimentieranlagen und mit synthetischen Daten getestet worden. Durch den Einsatz eines Strahlteilers vor dem Objektiv einer einzelnen Kamera und vier Umlenkspiegeln, positioniert im weiteren Strahlengang, werden vier virtuelle Kameras generiert. Diese Methode zeichnet sich vor allem durch die Wirtschaftlichkeit als auch durch die nicht notwendige Synchronisation aus. Vor allem für die Anwendung im Hochgeschwindigkeitsbereich sind diese beiden Faktoren entscheidend. Bei der Beobachtung von Phänomenen in Wasser kommt es an den Trennflächen verschiedener Medien zur optischen Brechung. Diese muss für die weitere Auswertung zwingend modelliert werden. Für komplexe Trennflächen sind einfache Ansätze über zusätzliche Korrekturterme nicht praktikabel. Der entwickelte Ansatz basiert auf der mehrfachen Brechung jedes einzelnen Bildstrahls. Dazu müssen die Trennflächenparameter und die Kameraorientierungen im selben Koordinatensystem bekannt sein. Zumeist wird die Mehrbildzuordnung von Partikeln durch die Verwendung von Kernlinien realisiert. Auf Grund von instabilen Kameraorientierungen oder bei einer sehr hohen Partikeldichte sind diese geometrischen Eigenschaften nicht mehr ausreichend, um die Mehrbildzuordnung zu lösen. Unter der Ausnutzung weiterer geometrischer, radiometrischer und physikalischer Eigenschaften kann die Bestimmung der 3D Trajektorien dennoch durchgeführt werden. Dabei werden durch die Analyse verschiedener Merkmale diejenigen ausgewählt, welche sich für die spatio-temporale Zuordnung eignen. Die 3D PTV beruht auf der Diskretisierung der Partikelabbildungen im Bildraum und der anschließenden Objektkoordinatenbestimmung. Eine rasterbasierte Betrachtungsweise stellt die tomographische Rekonstruktion des Volumens dar. Hierbei wird die Intensitätsverteilung wird im Volumen rekonstruiert. Die Bewegungsinformationen werden im Anschluss aus den Veränderungen aufeinander folgender 3D-Bilder bestimmt. Durch dieses Verfahren können Strömungen mit einer höheren Partikeldichte im Volumen analysiert werden. Das entwickelte Verfahren basiert auf der schichtweisen Entzerrung und Zusammensetzung der Kamerabilder. Die entwickelten Modelle und Ansätze sind an verschiedenen Versuchsanlagen erprobt worden. Diese unterschieden sich stark in der Größe (0,5 dm³ – 20 dm³ – 130 m³) und den vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten (0,3 m/s – 7 m/s – 0,5 m/s).
3D Particle Tracking Velocimetry (3D PTV) is an image based method for flow field determination. It is based on seeding a flow with tracer particles and recording the flow with a multi camera system. The results are 3D trajectories of a large number of particles for a statistical analysis of the flow. The thesis shows different novel models to increase the spectrum of applications and to optimize efficiency of 3D PTV. Central aspects are the use of the mirror system to generate a virtual multi camera system, the modelling of complex interfaces of multimedia photogrammetry, a probability based tracking method and a novel method for tomographic reconstruction of volume raster data. The improved models are tested in three real testing facilities and with synthetic data. Using a beam splitter in front of the camera lens and deflecting mirrors arranged in the optical path, a four headed virtual camera system can be generated. This method is characterised by its economic efficiency and by the fact that a synchronisation is not necessary. These facts are important especially when using high speed cameras. When observing phenomena in water, there will be refraction at the different interfaces. This has to be taken into account and modelled for each application. Approaches which use correction terms are not suitable to handle complex optical interfaces. The developed approach is based on a multiple refraction ray tracing with known interface parameters and camera orientations. Mostly the multi image matching of particles is performed using epipolar geometry. Caused by the not stable camera orientation or a very high particle density this geometric properties are not sufficient to solve the ambiguities. Using further geometrical radiometrical and physical properties of particles, the determination of the 3D trajectories can be performed. After the analysis of different properties those of them are chosen which are suitable for spatio-temporal matching. 3D PTV bases on the discretisation of particle images in image space and the following object coordinate determination. A raster based approach is the tomographic reconstruction of the volume. Here the light intensity distribution in the volume will be reconstructed. Afterwards the flow information is determined from the differences in successive 3D images. Using tomographic reconstruction techniques a higher particle density can be analysed. The developed approach bases on a slice by slice rectification of the camera images and on a following assembly of the volume. The developed models and approaches are tested at different testing facilities. These differ in size (0.5 dm³ – 20 dm³ – 130 m³) and flow velocities (0.3 m/s – 7 m/s – 0.5 m/s).

The thesis describes state of the art volumetric measurement techniques and applies a 3D measurement technique, 3D Scanning Particle Tracking Velocimetry, to the transitional backward facing step flow. The measurement technique allows the spatial and temporal analysis of coherent structures apparent at the backward facing step. The thesis focusses on the extraction and interaction of coherent flow structures like shear layers or vortical structures.

The form and dynamics of ocean turbulence are critical to all marine processes; biological, chemical and physical. The three-dimensional turbulence characteristics of the bottom boundary layer of the coastal ocean are examined using a series of 29,991 instantaneous velocity distributions. These data, recorded by a submersible 3D-PTV system at an elevation of 0.64 m above the seabed, represent conditions typical of moderate tidal flows in the coastal ocean. A complexity associated with submersible 3D-PTV in the coastal ocean is that gaps and noise affect the accuracy of the data collected. To accommodate this, a new Physics-Enabled Flow Restoration Algorithm has been tested for the restoration of gappy and noisy velocity measurements where a standard PTV or PIV laboratory set-up (e.g. concentration / size of the particles tracked) is not possible and the boundary and initial conditions are not known a priori. This is able to restore the physical structure of the flow from gappy and noisy data, in accordance with its hydrodynamical basis. In addition to the restoration of the velocity flow field, PEFRA also estimates the maximum possible deviation of the output from the true flow. 3D-PTV measurements show coherent structures, with the hairpin-like vortices highlighted in laboratory measurements and numerical modelling, were frequently present within the logarithmic layer. These exhibit a modal alignment of 8 degrees from the mean flow and a modal elevation of 27 degrees from the seabed, with a mean period of occurrence of 4.3 sec. These appear to straddle sections of zero-mean along-stream velocity, consistent with an interpretation as packets. From these measurements, it is clear that data collected through both laboratory and numerical experiments are directly applicable to geophysical scales – a finding that will enable the fine-scale details of particle transport and pollutant dispersion to be studied in future. Conditional sampling of the Reynolds shear stress (without using Taylor’s hypothesis) reveals that these coherent structures are responsible for the vertical exchange of momentum and, as such, are the key areas where energy is extracted from the mean flow and into turbulence. The present study offers the first assessment of the magnitude of the errors associated with assuming isotropy on shear-based sensors of the TKE dissipation rate and its consequential effect on the Kolmogorov microscale using 3D-PTV data from the bottom boundary layer of the coastal ocean. The results indicate a high degree of spatial variability associated with the low conditions. The averaged data supports the validity of measurements obtained by horizontal and vertical profilers, however along-stream velocity derivatives underestimate the TKE dissipation rate by more than 40% – a factor of two higher than for the equivalent cross-stream and vertical estimates. This has important implications for the deployment of these sensors and the subsequent interpretation of higher-order statistics. Finally, the data have been processed to test four popular sub-grid scale (SGS) stress models and SGS dissipation rate estimates for Large-Eddy Simulations using these in situ experimental data. When the correlation and SGS model coefficients are assessed, the nonlinear model represents the best stress models to use for the present data, consistent with the substantial anisotropy and inhomogeneity associated with these flows. The detailed measurement and analysis of coherent structures in the coastal ocean undertaken therefore supports the development of numerical models and assists with the understanding of all marine processes.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à décrire une approche Lagrangienne de caractérisation de flux d’air par suivi de particules, nous avons implémenté un système de caméras synchronisées pour l’acquisition des images de bulles de savon remplies à l’hélium. L’approche développée pour le calcul des trajectoires des particules est basée sur une méthode multi-échelle de détection de points intérêt et de reconstruction 3D. Le système permet ainsi de réaliser un suivi tridimensionnel et fournir une description des flux d’air présents dans une pièce à grande échelle
In this thesis, we describe an approach for Lagrangian characterizing of airflows using particle tracking velocimetry, a camera system was implemented here and Helium filled bubbles images were acquired in a synchronized way. We developed a new system for particle trajectories calculation based on a multi-scale image processing technique and well-known 3D reconstruction methods. Our system allows tracking particles in 3D space and providing yet a global description of airflows in large-scale environment.The application is supposed to improve the optimization of ventilation in building rooms in order to reduce energy consumption by optimal positioning and shaping of air diffusers. A major constraint here is to preserve human comfort

La convection de Marangoni est un phénomène hydrodynamique qui apparaît en présence d'un gradient de tension de surface le long d'une interface entre deux fluides non miscibles. Il est possible de voir apparaître cette convection, dans les échangeurs de chaleur avec changement de phase, autour des bulles de vapeur. Cependant, la convection de Marangoni a longtemps été négligée devant les autres phénomènes intervenant dans le transfert de chaleur. A l'ère de la miniaturisation, il devient impossible de négliger cette micro convection. Le but de la thèse est donc de caractériser la dynamique d'écoulement de la convection de Marangoni autour d'une bulle. La première partie présente la résultats 2D obtenus autour d'une bulle d'air en présence d'un gradient de température. Ce cas est plus simple à mettre en oeuvre et permet ainsi de se familiariser avec la convection de Marangoni. La seconde partie porte cette fois-ci sur l'étude bidimensionnelle de cette convection autour d'une bulle de vapeur. Les résultats ont montré que le phénomène devenait très rapidement tridimensionnel . La dernière partie présente donc une méthode de mesure optique 3D innovatrice qui permet de connaître la dynamique de l'écoulement dans les trois dimensions et les trois composantes
The Marangoni convection is a phenomenon that appears in the presence of a tension surface gradient along an interface between two immiscible fluids. It is possible to observe that appear convection around vapor bubbles in the heat exchangers with the phase change. However, the Marangoni convection has been neglected to other phenomena involved in the heat transfer. In the age of miniaturization, it becomes impossible to overlook this micro convection. The aim of this thesis si to characterize the dynamics of Marangoni convection around a bubble. The first part deals with the 2D results around an air bubble in the presence of a temperature gradient. This case is easier to implement and allows having a better knowledge with the Marangoni convection. The second part focuses on the two-dimensional study of the convection around a vapor bubble The results showed that the phenomenon quickly became three-dimensional. The last section therefore presents a method for measuring optical innovative 3D3C

Das Nutzen von 3D-Anmerkungselementen unter PTC Creo-Parametric ermöglicht die Erstellung von 3D-CAD-Modellen mit ausführlichen Informationen zu Funktion, Tolerierung und Fertigung. Dadurch kann der Archivierungs- und Versionspflegeaufwand von Produktdaten und ein besseres, räumliches Verständnis für das Produkt in seiner Entstehungsphase erreicht werden.

A bas nombre de Reynolds, le concept de voilure battante apparaît comme une alternative auxconcepts conventionnels de voilure fixe et voilure tournante. Dans le cadre d'une applicationpratique (micro-drones ou MAVs), l'évaluation de l'adaptabilité d'un tel mode de sustentationrequiert la compréhension fine des principaux mécanismes aérodynamiques mis en jeu et de leurimpact sur les efforts résultants. Ces derniers se caractérisent par une instationnarité forte et descomportements complexes.Les travaux de cette thèse se concentrent sur l'étude du mouvement de vol battu à bas Reynolds (del'ordre de 1000), dans une configuration de vol stationnaire. Le modèle est constitué d'une ailerectangulaire à profil symétrique animé d'un mouvement couplé de battement et de tangage. Cemode de sustentation se caractérise par la génération à proximité de l'aile de structurestourbillonnaires plus ou moins persistantes influant fortement les efforts appliqués à l'aile.L'objectif consiste à analyser l'évolution des mécanismes instationnaires et des efforts en résultant.L'étude porte en particulier sur une analyse approfondie d'un cas de référence, comparé ensuite àd'autre résultats lors d'une étude paramétrique portant sur l'influences de l'allongement d'une part, etde la cinématique du mouvement d'autre part.Les moyens d'investigations adoptés pour mener cette étude sont à la fois numériques etexpérimentaux, L'analyse repose d'une part sur une approche numérique DNS utilisant unetechnique de maillage " chimère ", et d'autre part sur des mesures en bassin de type PIV 3D-3Crésolues en temps. La mesure directe des efforts instationnaires de faible niveau étant difficilementenvisageable, une part importante du travail a consisté à adapter une méthode d'évaluation desefforts par bilan de quantité de mouvement à partir des champs de vitesse PIV résolus en temps. Lespoints durs de cette approche, en particulier l'évaluation de la pression à partir des champs devitesse, font l'objet d'une attention particulière.

Les mécanismes d’évolution spatio-temporelle des structures turbulentes instationnaires tridimensionnelles, et en particulier ceux rencontrés aux plus grandes échelles, sont à l’origine de phénomènes d’instabilité qui conduisent très souvent à une diminution de la performance des systèmes énergétiques. C’est le cas des variations cycle-à-cycle dans le moteur à combustion interne. Malgré les progrès substantiels réalisés par la simulation numérique en mécanique des fluides, les approches expérimentales demeurent essentielles pour l’analyse et la compréhension des phénomènes physiques ayant lieu. Dans ce travail de thèse, deux types de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été appliqués et adaptés au banc moteur optique du laboratoire Coria pour étudier l’écoulement en fonction de six conditions de fonctionnement du moteur. La PIV Haute Cadence 2D2C a permis d’abord d’obtenir un suivi temporel de l’écoulement dans le cylindre durant un même cycle moteur ainsi qu’identifier ces variations cycliques. La PIV Tomographique 3D3C a permis ensuite d’étendre les données mesurées vers l’espace tridimensionnel. La Tomo-PIV fait intervenir 4 caméras en position angulaire visualisant un environnement de géométrie complexe, confinée, ayant un accès optique restreint et introduisant des déformations optiques importantes. Cela a nécessité une attention particulière vis-à-vis du processus de calibration 3D des modèles de caméras. Des analyses conditionnées 2D et 3D de l’écoulement sont effectuées en se basant principalement sur la décomposition propre orthogonale (POD) permettant de séparer les différentes échelles de structure et le critère Γ permettant l’identification des centres des tourbillons
The unsteady evolution of three-dimensional large scale flow structures can often lead to a decrease in the performance of energetic systems. This is the case of cycle-to-cycle variations occurring in the internal combustion engine. Despite the substantial advancement made by numerical simulations in fluid mechanics, experimental measurements remain a requirement to validate any numerical model of a physical process. In this thesis, two types of particle image velocimetry (PIV) were applied and adapted to the optical engine test bench of the Coria laboratory in order to study the in-cylinder flow with respect to six operating conditions. First, the Time-Resolved PIV (2D2C) allowed obtaining a temporal tracking of the in-cylinder flow and identifying cyclic variabilities. Then tomographic PIV (3D3C) allowed extending the measured data to the three-dimensional domain. The Tomo-PIV setup consisted of 4 cameras in angular positioning, visualizing a confined environment with restricted optical access and important optical deformations. This required a particular attention regarding the 3D calibration process of camera models. 2D and 3D conditional analyses of the flow were performed using the proper orthogonal decomposition (POD) allowing to separate the different scales of flow structures and the Γ criterion allowing the identification of vortices centres

The Richtmyer-Meshkov Instability (RMI) (Commun. Pure Appl. Math 23, 297-319, 1960; Izv. Akad. Nauk. SSSR Maekh. Zhidk. Gaza. 4, 151-157, 1969) occurs due to an impulsive acceleration acting on a perturbed interface between two fluids of different densities. In the experiments presented in this thesis, single mode 3D RMI experiments are performed. An oscillating speaker generates a single mode sinusoidal initial perturbation at an interface of two gases, air and SF6. A Mach 1.19 shock wave accelerates the interface and generates the Richtmyer-Meshkov Instability. Both gases are seeded with propylene glycol particles which are illuminated by an Nd: YLF pulsed laser. Three high-speed video cameras record image sequences of the experiment. Particle Image Velocimetry (PIV) is applied to measure the velocity field. Measurements of the amplitude for both spike and bubble are obtained, from which the growth rate is measured. For both spike and bubble experiments, amplitude and growth rate match the linear stability theory at early time, but fall into a non-linear region with amplitude measurements lying between the modified 3D Sadot et al. model (Phys. Rev. Lett. 80, 1654-1657, 1998) and the Zhang & Sohn model (Phys. Fluids 9. 1106-1124, 1997; Z. Angew. Math Phys 50. 1-46, 1990) at late time. Amplitude and growth rate curves are found to lie above the modified 3D Sadot et al. model and below Zhang & Sohn model for the spike experiments. Conversely, for the bubble experiments, both amplitude and growth rate curves lie above the Zhang & Sohn model, and below the modified 3D Sadot et al. model. Circulation is also calculated using the vorticity and velocity fields from the PIV measurements. The calculated circulation are approximately equal and found to grow with time, a result that differs from the modified Jacobs and Sheeley's circulation model (Phys. Fluids 8, 405-415, 1996).

Cette thèse porte sur le développement de la PIV tomographique (tomo-PIV) pour la mesure d’écoulements turbulents (Elsinga et al 2006). Cette méthode se fonde sur la reconstruction tomographique d’une distribution volumique d’intensité de particules traceuses, à partir de projections enregistrées par des caméras. Les distributions volumiques sont corrélées, fournissant ainsi un champ de déplacement 3D.Les principales avancées de la recherche sur cette technique sont présentées ainsi que les points bloquants. Les efforts ont principalement été portés sur la reconstruction tomographique. La principale difficulté est le bruit tomographique (particules fantômes) qui croît exponentiellement lorsqu’une forte densité de traceur est requise pour obtenir une résolution spatiale fine de la mesure, particulièrement pour les écoulements turbulents.Afin de mieux appréhender ce bruit de reconstruction, nous avons étudié numériquement les facteurs expérimentaux nuisant à la qualité de la reconstruction. Des considérations géométriques ont permis de quantifier l’impact de «particules ajoutées», qui se trouvent dans le volume de l’union mais pas dans le volume de l’intersection entre la zone laser et les champs de vue des caméras. La diminution du ratio signal-à-bruit dans les images, due à la diffusion de Mie et l’astigmatisme des optiques, a pour principal effet la perte de vraies particules dans la reconstruction.Étudier les conditions optiques de la tomo-PIV nous a permis de proposer une approche alternative à la reconstruction tomographique classique, qui vise à reconstruire une particule presque sur un unique voxel, plutôt que comme un agrégat de voxels de taille étendue, en se fondant sur une représentation particulaire des images. Nous nommons cette méthode Reconstruction Volumique de Particules (PVR). Après avoir été incorporée à un algorithme de reconstruction (SMART), il est possible d’élargir la représentation particulaire de PVR, afin d’obtenir des blobs de 2/3 voxels de diamètre requis par les algorithmes de corrélation de 3D-PIV. Des simulations numériques sur un large spectre de conditions génératrices, ont montré qu’utiliser PVR-SMART permettait des gains de performance par rapport à un algorithme classique comme tomo-SMART (Atkinson 2009).L’aspect vélocimétrie par corrélation de la méthode a aussi été pris en compte avec une extension sur GPU à la 3D (FOLKI-3D) de l’algorithme FOLKI-PIV (Champagnat et al. 2011). Le déplacement y est cherché en minimisant itérativement une fonctionnelle, du type des moindres carrés, par déformation de volume. Les tests synthétiques confirment que la réponse fréquentielle d’espace est semblable à celle d’autres algorithmes classiques itératifs de déformation de volume. Les simulations numériques de reconstruction tomographique ont permis de caractériser la robustesse de l’algorithme au bruit spécifique de la tomographie. Nous avons montré que FOLKI-3D était plus robuste aux particules fantômes cohérentes que les algorithmes classiques de déformation volumique. De plus, des gains de performance ont été observés en utilisant des schémas d’ordre élevé pour différents types de bruit.L’application de PVR-SMART sur des données expérimentales a été effectuée sur un jet d’air turbulent. Différentes densités de particules ont été utilisées pour comparer les performance de PVR-SMART avec tomo-SMART sur la région proche buse du jet. Avec le pré-traitement d’image utilisé, nous avons montré que les champs de vitesse de PVR-SMART étaient près de 50 % moins bruités que ceux de tomo-SMART. L’analyse sur les champs de vitesse comporte l’étude de quantités statistiques, de peak-locking, de divergence, du tenseur des gradients ainsi que de structures cohérentes.Enfin, nous concluons avec une synthèse des résultats obtenus au cours de cette étude, en envisageant de nouvelles perspectives de recherche dans le contexte de la PIV tomographique
This research dissertation focuses on the developments of tomographic PIV (tomo-PIV) for the measurement of turbulent flows (Elsinga et al. 2006). It is based on the tomographic reconstruction of a volumic intensity distribution of tracer particles from projections recorded on cameras. The corresponding volumic distributions are correlated to obtain 3D displacement fields.The present work surveys the state of advancement of the research conducted on this technique and the main issues it has been confronted with so far. The main research focus was on tomographic reconstruction. Indeed, its main limitation is the appearance of ghost particles, ie reconstruction noise, which occurs when high tracer concentrations are required for high spatial resolution measurements.For a thorough understanding of tomographic noise, we carried out a numerical study of experimental factors impacting the quality of tomographic reconstruction. Geometric considerations quantified the impact of "added particles" lying in the Union volume but not in the Intersection volume, between the camera fields of view and the illumination area. This phenomenon was shown to create ghost particles. The decrease in signal-to-noise ratio in the image was investigated, considering Mie scattering and defocusing effects. Particle image defocusing mainly results in the loss of real particles in reconstruction. Mie scattering’s main impact is also the loss of real particles due to the polydisperse nature of the seeding.This study of imaging conditions for tomo-PIV led us to propose an alternative approach to classical tomographic reconstruction. It seeks to recover nearly single voxel particles rather than blobs of extended size using a particle-based representation of image data. We term this approach Particle Volume Reconstruction (PVR). PVR underlies a more physical, sparse volumic representation of point particles, which lives halfway between infinitely small particles, and voxel blobs commonly used in tomo-PIV. From that representation, it is possible to smooth it to 2 voxel diameter blobs for a 3D-PIV use of PVR incorporated in a SMART algorithm. Numerical simulations showed that PVR-SMART outperforms tomo-SMART (Atkinson et al. 2009) on a variety generating conditions and a variety of metrics on volume reconstruction and displacement estimation, especially in the case of seeding density greater than 0.06 ppp.We introduce a cross-correlation technique for 3D-PIV (FOLKI-3D) as an extension to 3D of the FOLKI-PIV algorithm (Champagnat et al. 2011). The displacement is searched as the minimizer of a sum of squared differences, solved iteratively by using volume deformation. Numerical tests confirmed that spatial frequency response is similar to that of standard iterative deformation algorithms. Numerical simulations of tomographic reconstruction characterized the robustness of the algorithm to specific tomographic noise. FOLKI-3D was found more robust to coherent ghosts than standard deformation algorithms, while gains in accuracy of the high-order deformation scheme were obtained for various signal noises.The application of PVR-SMART on experimental data was performed on a turbulent air jet. Several seeding density conditions were used to compare the performance of tomo-SMART and PVR-SMART on the near field region of the jet. With the given image pre-processing, PVR-SMART was found to yield velocity fields that are about 50 % less noisy than tomo-SMART. The velocity field comparison included velocity field statistical properties, peak-locking study, flow divergence analysis, velocity gradient tensor and coherent structures exploration.Finally, conclusions are drawn from the main results of this dissertation and lead to potential research perspectives of our work with respect to the future of tomographic PIV

In der Präsentation werden typische Engineeringaufgaben präsentiert, die mit modernen IT-Werkzeugen erledigt werden. Es wird auf die Einführung und die Durchgängigkeit eines 3D-CAD-Systems eingegangen und gezeigt, wie mit diesem System Simulations- und Prozesskettenthemen in der Praxis bei der SMS Siemag AG behandelt werden. Ebenfalls anhand von Beispielen wird die Thematik der großen Baugruppen und der Anlagenplanung im 3D-Engineering dargestellt.

Cette thèse se situe dans le cadre de la chirurgie de la prothèse totale de la hanche (PTH) assistée par ordinateur. Le but de ce travail est l'obtention d'un modèle 3D du bassin du patient à partir de données incomplètes. Actuellement dans un processus conventionnel, la planification de la PTH se fait avec une radiographie tandis que les systèmes d'assistance chirurgicale de la PTH, utilisent un volume 3D du bassin construit à partir d'images médicales IRM, TDM ou Scanner. Néanmoins la reconstruction du volume 3D s'avère limitée par : (i) le temps d'attente de rendez vous pour l'examen de ce type est trop long, (ii) les appareils sont peu accessibles pour les cliniques, (iii) la difficulté de la segmentation automatique pour l'obtention du volume 3D et (iv) l'impossibilité de l'exposition aux études IRM, Scanner ou TDM pour certains patients. À partir de cette problématique, ce travail de thèse apporte deux contributions principales : -une étude des principales caractéristiques du bassin utiles pour la reconstruction d'un modèle 3D, -une méthodologie pour l'obtention d'un volume 3D du bassin à partir d'une radiographie et quelques images échographiques. La méthode proposée est composée de trois étapes : (i) obtention des données radiographiques et échographiques du bassin du patient, (ii) inférence de l'atlas du bassin du patient et (iii) obtention du modèle 3D par la déformation d'un maillage s'adaptant à l'atlas inféré. Dans ce travail un atlas est constitué par un ensemble de points caractéristiques du bassin. Pour résoudre les problèmes liés à l'inférence et au traitement de l'information des données nous avons fait appel aux techniques bayésiennes
This thesis is situated within the context of total hip prosthesis replacement (THR) computer-assisted surgery systems. The goal of thiswork is to construct a 3D hip model of the patient from partial data. The standard THR planning process simply relies on X-ray image whereas THR computer-assisted systems use a 3D hip volume reconstructed from medical imagining techniques such as MRI, CT or Scanner. Nevertheless, 3D volumes reconstruction presents somedisadvantages : (i) there is a long waiting time to get the imagining study , (ii) due to their cost, machines are not available in all clinics, (iii) a complete automatic segmentation process for the 3D volume constructions is not jet available and (iv) some patients can not be exposed to some imagining techniques such as MRI, CT or Scannerstudies. Considering these problems, we make two main contributions in this work :-a study of the exploitable characteristics of hip and femur for 3D model reconstruction,-a methodology for 3D hip volume reconstruction using minimally invasive imagining techniques : a single radiographic image (2D data)and a few echographic images (3D data). The proposed method consist of three main stages: (i) data acquisition of the radiographic and echographic images of the patient hip, (ii)inference of the hip atlas of the patient and (iii) 3D hip volume reconstruction by a mesh deformation that adapts to the infered atlas. These stages pose different problems related to the representation of the generic atlas, to the inference process, and tothe radiographic and echographic data processing. To solve this problematic we use Bayesian techniques

Les travaux réalisés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement de techniques de mesure optiques pour la mécanique des fluides visant la reconstruction de volumes de particules 3D pour ensuite en déduire leurs déplacements. Cette technique de mesure volumique appelée encore Tomo-PIV est apparue en 2006 et a fait l'objet d'une multitude de travaux ayant pour objectif l'amélioration de la reconstruction qui représente l'une des principales étapes de cette technique de mesure. Les méthodes proposées en littérature ne prennent pas forcément en compte la forme particulière des objets à reconstruire et ne sont pas suffisamment robustes pour faire face au bruit présent dans les images. Pour pallier à ce déficit, nous avons proposé une méthode de reconstruction tomographique, appelée (IOD-PVRMPP), qui se base sur les processus ponctuels marqués. Notre méthode permet de résoudre le problème de manière parcimonieuse. Elle facilite l'introduction de l'information à priori et résout les problèmes de mémoire liés aux approches dites "basées voxels". La reconstruction d'un ensemble de particules 3D est obtenue en minimisant une fonction d'énergie ce qui définit le processus ponctuel marqué. A cet effet, nous utilisons un algorithme de recuit simulé basé sur les méthodes de Monte-Carlo par Chaines de Markov à Saut Réversible (RJMCMC). Afin d'accélérer la convergence du recuit simulé, nous avons développé une méthode d'initialisation permettant de fournir une distribution initiale de particules 3D base sur la détection des particules 2D localisées dans les images de projections. Enfin cette méthode est appliquée à des écoulements fluides soit simulé, soit issu d'une expérience dans un canal turbulent à surface libre. L'analyse des résultats et la comparaison de cette méthode avec les méthodes classiques montrent tout l'intérêt de ces approches parcimonieuses
The research work fulfilled in this thesis fit within the development of optical measurement techniques for fluid mechanics. They are particularly related to 3D particle volume reconstruction in order to infer their movement. This volumetric measurement technic, called Tomo-PIV has appeared on 2006 and has been the subject of several works to enhance the reconstruction, which represents one of the most important steps of this measurement technique. The proposed methods in Literature don't necessarily take into account the particular form of objects to reconstruct and they are not sufficiently robust to deal with noisy images. To deal with these challenges, we propose a tomographic reconstruction method, called (IOD-PVRMPP), and based on marked point processes. Our method allows solving the problem in a parsimonious way. It facilitates the introduction of prior knowledge and solves memory problem, which is inherent to voxel-based approaches. The reconstruction of a 3D particle set is obtained by minimizing an energy function, which defines the marked point process. To this aim, we use a simulated annealing algorithm based on Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo (RJMCMC) method. To speed up the convergence of the simulated annealing, we develop an initialization method, which provides the initial distribution of 3D particles based on the detection of 2D particles located in projection images. Finally, this method is applied to simulated fluid flow or real one produced in an open channel flow behind a turbulent grid. The results and the comparisons of this method with classical ones show the great interest of this parsimonious approach

La transition entre la turbulence isotrope 3D et la turbulence anisotrope quasi-2D sous l'effet d'une rotation d'ensemble est étudiée expérimentalement. Un écoulement turbulent est généré par la translation d'une grille dans une cuve remplie d'eau en rotation, et un système de vélocimétrie par images de particules est utilisé pour mesurer les champs de vitesse instantanés dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation. Nous décrivons dans un premier temps les différents régimes qui caractérisent la décroissance de la turbulence : une loi approximativement autosimilaire est présente pour des temps plus petits que le temps d'Ekman, tandis qu'une décroissance exponentielle de l'énergie prend place à temps long. Les exposants de déclin mesurés expérimentalement sont en assez bon accord avec les valeurs prédites par un modèle phénoménologique, dans lequel les effets de la rotation et du confinement sont pris en compte. Même à très faible vitesse, la rotation a une grande influence sur la loi de déclin de l'énergie en faisant que l'échelle intégrale verticale croît beaucoup plus rapidement à travers la propagation d'ondes d'inertie. Nous décrivons, par la suite, l'influence de la rotation sur les transferts d'énergie à travers les échelles. Le coefficient d'asymétrie des dérivées de vitesse décroît comme le nombre de Rossby microscopique, reflétant l'inhibition des transferts d'énergie par la rotation d'ensemble. Enfin nous présentons des résultats nouveaux concernant l'asymétrie cyclone-anticyclone qui caractérise les écoulements en milieu tournant. L'analyse temporelle de cette asymétrie a montré une croissance en loi de puissance tant que le confinement n'est pas présent.

L'aérodynamique latérale des véhicules automobiles suscite de nos jours de plus en plus d'intérêt de la part des constructeurs. L'automobiliste est en effet soumis quotidiennement à de forts courants d'air latéraux, que ce soit lors du dépassement d'un autre véhicule, ou alorsen passant dans un couloir de vent du à la topographie du terrain (passage devant un espace entre deux immeubles par exemple). Les efforts aérodynamiques mis en jeu dans ces situations peuvent provoquer des mouvements non désirés du véhicule, pouvant avoir des conséquences dramatiques si le conducteur se laisse surprendre. Des études expérimentales reproduisant les effets d'un dérapage dynamique ont mis en évidence des phénomènes transitoires importants mettant à défaut les modèles stationnaires généralement pratiqués par les constructeurs pour qualifier le comportement de leurs véhicules en présence de dérapage. Les mécanismes responsables de ces phénomènes transitoires sont encore mal connus de la communauté scientifique. Ce travail propose d'approfondir ce sujet au travers de l'étude de l'aérodynamique d'un véhicule terrestre fixe soumis à un vent longitudinal et à une rafale de vent latéral. Le but principal est d'identifier les structures tourbillonnaires au moyen de mesures PIV et de calculs numériques des champs de vitesse autour d'une maquette automobile et de les corréler aux efforts aérodynamiques. Un accord entre l'ISAT, composante de l'Université de Bourgogne, et l'Institut Supérieurde l'Aéronautique et de l'Espace (ISAE) de Toulouse a permis de mener l'étude avec les ressources de cet établissement. Le moyen d'essai principal, créé par l'ISAE, est le banc" rafale latérale ", constitué d'une soufflerie principale et d'une soufflerie secondaire, dont la sortie à volet déferlants (" Mexican Wave ") est inspirée de l'approche proposée par Ryan et Dominy (2000). L'analyse expérimentale a été effectuée à l'aide de la PIV résolue en temps et stéréoscopique, et d'une balance dard instationnaire à cinq composantes. Un banc" numérique " identique a été constitué à l'aide du logiciel FLUENT©, pour des calculs 3D. De plus, un modèle 2D annexe, basé sur la méthode " meshless ", a été développé pour de futures investigations, en raison de sa robustesse pour des problèmes à fortes discontinuités et sa bonne adaptabilité aux problèmes avec frontières mobiles.Une première phase de ce travail a consisté en la mise au point des bancs expérimental et numérique, avec génération d'un champ de dérapage homogène, de 21° dans la zone de mesure. L'évolution du dérapage en chaque point respecte bien la forme d'un créneau imposé par la rafale. Pour l'analyse des efforts, deux géométries de maquette ont été étudiées, à savoir un corps de Windsor à culot droit générant, pour un écoulement longitudinal, des structures de sillage bidimensionnelles, et son homologue à culot incliné de 25°, générant des tourbillons " cigare ". Des pics d'efforts ont été observés à l'arrivée de la rafale, tout comme la littérature le prédit. Pour ce qui est du coefficient du moment de lacet, les sursauts sont de 29 % et 19 % respectivement pour la maquette à culot droit et celle à culot incliné, par rapport aux valeurs stationnaires. Concernant le coefficient de force de dérive, ils sont de 10 % et 14 %, respectivement. Lors de nos essais, ces efforts se sont établis après 5.5 longueurs de maquette. Afin d'expliquer la différence de comportement entre les deux maquettes en termes d'efforts, l'évolution temporelle des tourbillons nommés, dans ce mémoire, ΓA, ΓB, ΓC et Γ1 à été discutée. Il en est ressorti une forte corrélation entre la circulation du tourbillon ΓA, le plusénergétique, naissant à l'avant du flanc sous le vent de la maquette, et les efforts latéraux, de sorte que ce tourbillon serait le meilleur témoin des phénomènes instationnaires mis en jeu dans l'étude de l'effet du vent latéral. [...]

This thesis introduces and describes a new experimental setup for examining the effects of pulsating inflow to a ventilated enclosure. The study aimed to test the hypothesis that a pulsating inflow has potential to improve ventilation quality by reducing the stagnation zones through enhanced mixing. The experimental setup, which was a small-scale, two-dimensional (2D), water-filled room model, was successfully designed and manufactured to be able to capture two-dimensional velocity vectors of the entire field using Particle Image Velocimetry (PIV). Using in-house software, it was possible to conclude that for an increase in pulsation frequency or alternatively in the flow rate, the stagnation zones were reduced in size, the distribution of vortices became more homogeneous over the considered domain, and the number of vortices in all scales had increased. Considering the occupied region, the stagnation zones were moved away in a favorable direction from a mixing point of view. In addition, statistical analysis unveiled that in the far-field occupied region of the room model, stronger eddies were developed that we could expect to give rise to improved mixing. As a fundamental experimental study performed in a 2D, small-scale room model with water as operating fluid, we can logically conclude that the positive effect of enhanced mixing through increasing the flow rate could equally be accomplished through applying a pulsating inflow. In addition, this thesis introduces and describes an experimental setup for study of air flow over a wall-mounted radiator in a mockup of a real room, which has been successfully designed and manufactured. In this experimental study, the airflow over an electric radiator without forced convection, a common room-heating technique, was measured and visualized using the 2D PIV technique. Surface blackening due to particle deposition calls for monitoring in detail the local climate over a heating radiator. One mechanism causing particle deposition is turbophoresis, which occurs when the flow is turbulent. Because turbulence plays a role in particle deposition, it is important to identify where the laminar flow over radiator becomes turbulent. The results from several visualization techniques and PIV measurements indicated that for a room with typical radiator heating, the flow over the radiator became agitated after a dimensionless length, 5.0–6.25, based on the radiator thickness. Surface properties are among the influencing factors in particle deposition; therefore, the geometrical properties of different finishing techniques were investigated experimentally using a structured light 3D scanner that revealed differences in roughness among different surface finishing techniques. To investigate the resistance to airflow along the surface and the turbulence generated by the surfaces, we recorded the boundary layer flow over the surfaces in a special flow rig, which revealed that the types of surface finishing methods differed very little in their resistance and therefore their influence on the deposition velocity is probably small.
Det övergripande syftet med den första studien i avhandlingen var att undersöka hypotesen att ett pulserande inflöde till ett ventilerade utrymme har en potential till att förbättra ventilationens kvalitet genom att minska stagnationszoner och därigenom öka omblandningen. För genomförande av studien byggdes en experimentuppställning i form av en tvådimensionell (2D) småskalig modell av ett ventilerat rum. Strömningsmediet i modellen var vatten. Det tvådimensionella hastighetsfältet registrerades över hela modellen med hjälp av Particle Image Velocimetry (PIV). Vid ett stationärt tillflöde bildas ett stagnationsområde i centrum av rumsmodellen. Vid ett pulserade inflöde genererades sekundära virvlar. Med en egen utvecklad programvara var det möjligt att kvantifiera statistiken hos virvlarna. Det pulserade inflödet gjorde att inom området där det vid stationärt tillflöde fanns en stagnationszon ökade antalet virvlar i alla storlekar och fördelningen av virvlar blev mera homogen än tidigare. Detta kan förväntas ge upphov till förbättrad omblandning. Baserat på en grundläggande experimentell studie utförd i en småskalig tvådimensionell rumsmodell med vatten som strömningsmedium kan vi logiskt dra slutsatsen att ett pulserande tilluftsflöde har en potential att förbättra omblandningen.  I en fortsatt studie i avhandlingen visuliserades och mättes hastighetsfältet och därefter beräknades statistiska värden av exempelvis medelhastighet, standardavvikelse och skjuvspänning hos hastighetsfluktuationerna i luftströmmen över en väggmonterad radiator med 2D-PIV-teknik.  Bakgrunden till studien är att en bidragande orsak till partikelavsättning på väggytor är turbofores som uppträder vid en turbulent luftström. Studien genomfördes genom uppbyggnad av en fullskalig rumsmodell. Eftersom turbulens spelar en roll vid partikelavsättning genom turbofores är det viktigt att identifiera var det laminära flödet över radiatorn blir turbulent. Resultaten baserat på visualisering och PIV-mätningar indikerade att, för ett rum med denna typ av radiatoruppvärmning, blev flödet över radiatorn turbulent efter en dimensionslös längd lika med 5,0‒6,25 gånger radiatorns tjocklek. Ytors egenskaper är viktiga vid partikelavsättning. Därför har de geometriska egenskaperna hos några olika metoder för ytbehandling undersökts experimentellt med hjälp av en scanner för strukturerat 3D-ljus. Resultaten visar på skillnader i ytråhet hos de olika ytbehandlingsmetoderna. För att undersöka motståndet mot luftströmning längs ytan och den turbulens som genereras av ytorna registrerade vi gränsskiktsflödet över ytorna i en speciell luftströmningsrigg. Detta påvisade att motståndet hos de olika typerna av ytbehandlingsmetoder skilde sig mycket litet åt och därför är troligt vid deras påverkan på depositionshastigheten mycket liten.

QC 20150525

Les dipôles tourbillonnaires représentent des structures récurrentes dans les écoulements en eau peu profonde. Ils résultent souvent d'une bidimensionnalisation de la turbulence qui est liée à l'effet du confinement vertical. Pourtant, dans plusieurs études récentes, une structure tourbillonnaire secondaire à axe horizontal a été observée sur le front de dipôles expérimentaux en eau peu profonde, remettant ainsi en question l'hypothèse de bidimensionnalité de l'écoulement. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à ce dernier point en étudiant la génération et la dynamique d'une structure secondaire sur le front du dipôle. Les dipôles tourbillonnaires sont générés expérimentalement par la fermeture d'une paire de pales dans une couche d'eau de faible épaisseur initialement au repos afin d'assurer une structure bidimensionnelle initiale. Les paramètres sans dimension pilotant l'écoulement sont le nombre de Reynolds Re = U0D0/nu (ou U0 et D0 représentent respectivement la vitesse de propagation et le diamètre initial du dipôle et nu est la viscosité cinématique de l'eau) et le rapport de forme des dipôles (ou nombre de confinement) C = h/D0 (ou h est la hauteur d'eau). Une étude paramétrique dans laquelle le nombre de Reynolds Re et le rapport de forme du dipôle C varient a été menée (C \in [0.075, 0.7] et Re \in [90, 470]). Dans le champ des paramètres étudiés, cinq différentes structures de l'écoulement sont observées. Une cartographie des différents régimes d'écoulement a été obtenue et a permis de montrer que la tridimensionnalisation des dipôles tourbillonnaires en eau peu profonde était contrôlée par un unique paramètre, C2Re. Lorsque une structure secondaire est observée sur le front du dipôle, la dynamique aux temps courts de celle-ci dépend du nombre de Reynolds alors que sa dynamique aux temps longs dépend du rapport de forme du dipôle. Afin de caractériser la structure dans son ensemble et en particulier d'accéder à chacune des étapes de sa tridimensionnalisation, une nouvelle technique de PIV 3D-3C scannée a été mise en place. Elle permet une mesure expérimentale du champ de pression et révèle que les branches du tourbillon transverse généré sur le front du dipôle montent en direction de la surface libre de part et d'autre des tourbillons primaires composant le dipôle.

La thèse est une contribution à l’étude des tourbillons longitudinaux qui se développent sur la lunette arrière des véhicules automobiles, dans l’idée de provoquer leur éclatement afin de réduire la traînée aérodynamique. On conçoit tout d’abord un système d’acquisition dénommé A-SPIV, permettant de reconstruire le champ moyen de vitesse 3D d’un sillage turbulent à partir de plans stéréo-PIV acquis par translation du système caméras-laser, sans qu’il soit nécessaire de le recalibrer. En complément, on propose une méthode de reconstruction de la pression moyenne reposant sur les données A-SPIV et sur une mesure de la pression pariétale. L’ensemble forme un nouveau protocole expérimental, validé dans le sillage d’un corps d’Ahmed 25° et dont les résultats à haut Reynolds sont comparés à la littérature existante. L'analyse topologique des tourbillons longitudinaux suggère l’existence d’un éclatement tourbillonnaire spontané dans le sillage proche, malgré l’absence de point de stagnation. On démontre formellement l’existence de cet éclatement par deux critères théoriques qui considèrent ce phénomène, soit comme la conséquence d’une réorganisation de la vorticité, soit comme la résultante d’une accumulation, en un point critique, d’ondes inertielles se propageant le long du tourbillon. Les analyses sous-jacentes sont menées dans un repère cylindrique attaché à l’axe tourbillonnaire et prédisent une même position d’éclatement, en bon accord avec la position singulière issue des mesures A-SPIV. La thèse se conclut par une analyse de stabilité globale de l'écoulement moyen qui suggère un lien possible entre l’éclatement et une instabilité globale de l’écoulement tourbillonnaire
This thesis is a contribution to the study of the longitudinal vortices developing in the near wake of ground vehicles, with the general purpose of reducing the aerodynamic drag by triggering the vortex breakdown phenomenon. We present a new data acquisition system called A-SPIV, allowing to reconstruct a 3D turbulent time-averaged velocity field from stereo-PIV planes measured by translation of the whole cameras-laser system, with no need to recalibrate. We also propose a method to reconstruct the mean pressure in the bulk from the A-SPIV data and from a dedicated wall static pressure measurement. This new overall experimental protocol is applied to a standard aerodynamic test-case, the 25° Ahmed body, all results being compared and validated at high turbulent Reynolds number against existing data from the literature. A thorough analysis of the longitudinal vortices suggests the occurrence of a spontaneous vortex breakdown in the near-wake, although there exist no stagnation point in the experimental data. Such vortex breakdown is therefore evidenced using two different theoretical criteria considering the phenomenon as the consequence of either a reorganization of the vorticity, or an accumulation of inertial waves propagating along the vortex core. The underlying analyses are carried out in a cylindrical system attached to the vortex axis and predict a single breakdown position, in good agreement with the singular position initially inferred from the A-SPIV data. The thesis ends with a global stability analysis of the turbulent mean flow suggesting a possible connection between the occurrence of vortex breakdown and a global instability of the longitudinal vortex

Les principaux objectifs de cette étude est de fournir les informations essentielles sur le comportement thermique des cellules de batterie pour une application automobile, en particulier pour les véhicules électriques et hybrides. Cette application est notre cadre de travail expérimental afin de développer un modèle électro-thermique 3D efficace pour les cellules lithium-ion et du pack batterie. L'étude expérimentale se concentre sur la distribution de température en différents points de la surface de la cellule, de l'impact de différents débits constants, et également l'importance du système de refroidissement sur le comportement en température de la batterie. Cette thèse met en évidence le comportement de température de la cellule dans des conditions de décharge agressive et de l'impact de l'empilement de plusieurs cellules à l'intérieur de la batterie. Une étude de cas sur le comportement thermique de la cellule dans une application véhicule électrique hybride série est proposée pour compléter les cycles de conduite en utilisant différentes stratégies de refroidissement. En outre, l'étude expérimentale est étendue à la caractéristique du comportement de refroidissement par flux d'air à l'intérieur de la batterie, en utilisant le système d'image de particules (PIV). Le modèle électro-thermique CFD 3D est développé sous un logiciel Open Source OpenFOAM. L'objectif principal est d'obtenir un modèle relativement simple mais précis avec un temps de calcul raisonnable. Le modèle proposé, estime la production de chaleur, à partir du courant de la batterie et la résistance interne en fonction de la température, le transfert de chaleur par conduction, convection forcée et rayonnement
The main objectives of this study are to provide the essential information on the thermal behaviour of the battery cells for automotive purpose especially for EVs and HEVs through experimental work in order to develop an effective 3D electro-thermal model for lithium ion battery cells and pack. The experimental study is focusing on the distribution of temperature at various points of the battery cell surface, impact of different constant discharge rates, and also the importance of cooling system on the battery temperature behaviour. This thesis highlights the battery cell temperature under abuse discharge condition and the impact of stacking the battery cells inside the battery pack. Impact of different temperature and SOC on the battery cell internal resistance and a case study on the battery cell thermal behaviour used in a series HEV to complete driving cycles using different cooling strategies are also studied. Furthermore, the experimental study is extended to the characteristic of the cooling air flow behaviour inside the battery pack, using particulate image velocimetry (PIV) system. The 3D electro-thermal CFD model is implemented in a free, open source CFD software package called OpenFOAM. The target is to have a relatively simple but accurate model with reasonable computation time. This proposed model considers the heat generation from battery current and internal resistance as a function of temperature, heat transfer through conduction, forced convection and radiation

Cette étude s'inscrit dans le domaine de la sécurisation de l'appontage des hélicoptères sur les frégates. Il s'agit ici d'analyser le sillage aérodynamique d'une frégate générique modélisée par une double marche descendante dans le but de mieux comprendre ce type d'écoulement tridimensionnel instationnaire. Les champs de vitesse moyen et fluctuant ont été analysés essentiellement par voie expérimentale (PIV, fil chaud, visualisation pariétale. . . ) et ont permis de valider la présence de structures tridimensionnelles mises en évidence grâce à une simulation numérique. Les résultats montrent en particulier la présence d'une asymétrie de l'écoulement moyen. Une étude fine autour de l'angle de dérapage nul a permis de confirmer le caractère bistable de l'écoulement autour de cette géométrie. Cette bi-stabilité a été observée dans différentes installations et pour un large éventail de conditions géométriques amont de la maquette. La compréhension de ce phénomène est déterminante avant toute tentative visant à mettre en oeuvre le contrôle de ce type d'écoulement complexe.

Le travail présenté porte sur l'étude de la convection mixte en fluide binaire avec effet Soret (gradient de concentration induit par un gradient de température). La géométrie considérée est une conduite parallélépipédique, horizontale, chauffée par le bas. L'écoulement moyen est généré par un gradient de pression horizontal. Nous nous intéresserons à la naissance de structures thermoconvectives sous la forme de rouleaux transversaux 2D, perpendiculaires à l'axe de la conduite. Après avoir introduit les différentes notions de base et effectué une revue bibliographique, nous présentons le formalisme mathématique adopté. L'étude de la convection mixte en fluide binaire avec effet Soret est ensuite décomposée en trois parties : théorique, numérique et expérimentale. La partie théorique consiste en l'étude de la stabilité linéaire de l'écoulement de Poiseuille, linéairement stratifié en température et en concentration. Pour un mélange caractérisé par un nombre de Lewis élevé, un facteur de séparation négatif et pour de faibles valeurs du nombre de Reynols, nous retrouvons conformément à la littérature, à la naissance de la convection, la présence de deux branches de solutions correspondant à des rouleaux transversaux 2D se propageant dans le sens de l'écoulement moyen ou en sens inverse. D'un point de vue numérique, nous avons utilisé un code spectral pour détecter la naissance des rouleaux transversaux 2D. Nous avons également effectué des simulations numériques 2D et 3D avec le logiciel FEMLAB. Ces simulations nous ont permis de mettre en évidence les deux branches de solutions distinctes à la naissance de la convection mixte avec effet Soret, déterminées par l'analyse de stabilité linéaire. Enfin, nous avons mis au point un dispositif expérimental de PIV permettant la visualisation et la détermination du champ de vitesses des différentes structures thermoconvectives observables à la naissance de la convection dans des mélanges à facteur de séparation négatif.

Die Option Mechanism Dynamics (MDO) von Creo Parametric ist ein Tool aus dem Bereich Starrkörperdynamik. Im Kern des Vortrags steht jedoch die MDO-Funktion 3D-Kontakt, die einzigartig mit elastischen Körpern arbeitet. Im Vortrag wird die Vorgehensweise bei der dynamischen Simulation eines Rutschreifens auf GFK-Wasserrutschen erläutert, abschließend werden Animationsbeispiele präsentiert.

This paper deals with testing the method Reflectance Transformation Imaging (RTI) on the copy of the Piraeus-lion in Historic Museum in Stockholm. The purpose is to find out if it is possible to gather more information about the runic inscriptions. RTI is a method that records the surface normal of individual pixels in a digital photograph by analyzing the impact of light coming from different angles of entrance. RTI produces sort of a 3D-image of the object. There will be an overview of earlier interpretations of the runic scripts written on the lion as well as an overview of Varangians in the southeast. After examination of the lion with RTI, has a conclusion been made that the method should be performed again on similar items, and on the copy of the Piraeus-lion to evaluate its full potential.

Over the last 30 years, Particle Image Velocimetry (PIV) has become the most powerful tool to study velocity fields in fluid mechanics. This technique is non-intrusive requiring seeding the flow with small tracer particles. The hardware required for these sophisticated PIV methods is very expensive (CCD or CMOS high-speed cameras and lasers), and the present dissertation aims to develop novel and inexpensive alternatives. The first part of this work investigates the use of multiple smartphones as a lower-cost Tomographic-PIV system for reconstructing 3D-3C velocity fields. We use colored shadows to imprint two or three different time-steps on the same image in a RGB-backlit configuration. We use commercially available Tomo-PIV software for the calibration, 3-D particle reconstruction, and particle-field correlations, to obtain three velocity components in a volume. The proposed system is tested with a vortex ring and the results are compared to stereoscopic-PIV for error estimations. We expand this work to a high-speed time-resolved setup to obtain 3D-3C velocity fields in time. This improvement is possible using newer smartphones capable of recording high-speed video at HD resolution. The challenges of using such cameras are presented and tackled. The illumination system, testing flow and image processing is similar to the one presented in the first section. A benchmark of the smartphone system is carried out comparing it to a Tomo-PIV system capable of recording 4K video resolution. A different approach is proposed to reconstruct a 3D-3C velocity field using a single color video camera. This technique uses chromatic structured light with color-gradients projected perpendicularly with respect to the color camera. Thus, we encode the depth position of the particles with a different wavelength of light. Different light sources are used to produce such color gradients. Finally, a variation of the previous technique is tested using a single monochromatic camera and structured volumetric illumination with spatially varying intensity profiles. This technique enables us to encode the depth position of every particle in their intrinsic brightness. The proposed system can achieve a depth resolution of 200 levels, i.e., an order of magnitude higher than previously proposed systems.

Although liquid ventilation has been researched and studied for the last six decades, it did not achieve its expected optimal performance. Within this work, a deeper understanding of the fluid dynamics during liquid ventilation shall be gathered to extend the already available clinical knowledge about this ventilation strategy. In order to reach this goal, advanced optical flow measurement techniques are applied in different models of the human conductive airways to obtain global velocity fields, identifying prominent flow structures and to determine important dissolved oxygen transport paths. As the velocity measurements revealed, the evolving flow field is strongly dominated by secondary flow effects and is highly dependent on the local airway geometry. During the visualization experiments of the dissolved oxygen concentration fields, different transportation paths occur at inspirational and expirational flow. The initial concentration distribution can be linked to the underlying flow fields but decouples after the peak velocity phases. With higher flow rates/ tidal volumes, a more homogeneously distributed oxygen concentration can be reached.:List of Figures ....................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................XIII Nomenclature ........................................................................................ XV 1 Introduction......................................................................................... 1 1.1 Motivation ........................................................................................1 1.2 Research objectives........................................................................... 3 1.3 Outline............................................................................................ 4 2 State of the art .................................................................................... 5 2.1 Liquid Ventilation............................................................................. 5 2.2 In vitro modeling.............................................................................. 8 2.3 Flow measurements ......................................................................... 11 2.4 Gas transport..................................................................................13 3 Flow field measurements ................................................................... 16 3.1 Hydrodynamic Model.......................................................................16 3.1.1 Lung replica ..........................................................................16 3.1.2 Flow parameter .....................................................................18 3.1.3 Limitations ...........................................................................22 3.2 Particle Tracking Velocimetry (PTV) ................................................24 3.2.1 Measurement principle ...........................................................24 3.2.2 Double-frame 2D-PTV ...........................................................25 3.2.3 Time-resolved 3D-PTV ..........................................................28 3.2.4 Phase-locked ensemble PTV ................................................... 31 3.3 Experimental set-up and measurement procedure ...............................33 3.3.1 Lung flow facility...................................................................33 3.3.2 2D-PTV configuration............................................................36 3.3.3 3D-PTV configuration............................................................36 3.4 Results & Discussion........................................................................38 3.4.1 Artificial lung........................................................................38 3.4.2 Realistic lung ........................................................................52 3.5 Conclusion ......................................................................................59 4 Oxygen transport ...............................................................................61 4.1 Hydrodynamic Model....................................................................... 61 4.1.1 Lung replica .......................................................................... 61 4.1.2 Flow parameter .....................................................................62 4.1.3 Limitations ...........................................................................65 4.2 Oxygen Sensitive Dye ......................................................................66 4.3 Experimental set-up......................................................................... 71 4.4 Results & Discussion........................................................................75 4.4.1 Constant flow rate .................................................................75 4.4.2 Oscillatory flow .....................................................................83 4.5 Conclusion ......................................................................................90 5 Summary............................................................................................ 92 6 Outlook .............................................................................................. 95 Bibliography ............................................................................................ 97
Trotz intensiver Forschung in den letzten sechs Jahrzehnten, befindet sich die Flüssigkeitsbeatmung immernoch weit entfernt vom klinischen Alltag. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, um das Wissen um die strömungsmechanischen Effekte während der Flüssigkeitsbeatmung zu vertiefen. Dazu werden verschiedene Modellexperimente durchgeführt, bei welchen moderne laseroptische Strömungsmessmethoden zum Einsatz kommen. Untersucht werden dabei unterschiedlich komplexe Geometrien der leitenden menschlichen Atemwege mit dem Ziel wesentliche Strömungsstrukturen, globale Geschwindigkeitsfelder und wichtige Transportwege des gelösten Sauerstoffs zu identifiziern. Die Geschwindigkeitsmessungen zeigen ein stark durch sekundäre Strömungseffekte dominiertes Geschwindigkeitsfeld, welches wesentlich von der lokalen Geometrie abhängig ist. Durch die qualitative und quantitative Erfassung der gelösten Sauerstoffkonzentrationsfelder können wichtige Transportwege aufgedeckt werden. Diese unterscheiden sich deutlich zwischen inspiratorischer und expiratorischer Strömungsrichtung. Die initialen Konzentrationsfelder stimmen mit den unterliegenden Geschwindigkeitsfeldern überein, unterscheiden sich ab der verzögernden Strömungsphase jedoch. Höhere Volumenströme/Tidalvolumen tragen dabei zu einer gleichmäßigeren Konzentrationsverteilung bei.:List of Figures ....................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................XIII Nomenclature ........................................................................................ XV 1 Introduction......................................................................................... 1 1.1 Motivation ........................................................................................1 1.2 Research objectives........................................................................... 3 1.3 Outline............................................................................................ 4 2 State of the art .................................................................................... 5 2.1 Liquid Ventilation............................................................................. 5 2.2 In vitro modeling.............................................................................. 8 2.3 Flow measurements ......................................................................... 11 2.4 Gas transport..................................................................................13 3 Flow field measurements ................................................................... 16 3.1 Hydrodynamic Model.......................................................................16 3.1.1 Lung replica ..........................................................................16 3.1.2 Flow parameter .....................................................................18 3.1.3 Limitations ...........................................................................22 3.2 Particle Tracking Velocimetry (PTV) ................................................24 3.2.1 Measurement principle ...........................................................24 3.2.2 Double-frame 2D-PTV ...........................................................25 3.2.3 Time-resolved 3D-PTV ..........................................................28 3.2.4 Phase-locked ensemble PTV ................................................... 31 3.3 Experimental set-up and measurement procedure ...............................33 3.3.1 Lung flow facility...................................................................33 3.3.2 2D-PTV configuration............................................................36 3.3.3 3D-PTV configuration............................................................36 3.4 Results & Discussion........................................................................38 3.4.1 Artificial lung........................................................................38 3.4.2 Realistic lung ........................................................................52 3.5 Conclusion ......................................................................................59 4 Oxygen transport ...............................................................................61 4.1 Hydrodynamic Model....................................................................... 61 4.1.1 Lung replica .......................................................................... 61 4.1.2 Flow parameter .....................................................................62 4.1.3 Limitations ...........................................................................65 4.2 Oxygen Sensitive Dye ......................................................................66 4.3 Experimental set-up......................................................................... 71 4.4 Results & Discussion........................................................................75 4.4.1 Constant flow rate .................................................................75 4.4.2 Oscillatory flow .....................................................................83 4.5 Conclusion ......................................................................................90 5 Summary............................................................................................ 92 6 Outlook .............................................................................................. 95 Bibliography ............................................................................................ 97

博士
國立中山大學
資訊工程學系研究所
98
The mainstream of current VLSI design and logic synthesis is based on traditional CMOS logic circuits. However, in the past two decades, various new logic circuit design styles based on pass-transistor logic (PTL) have been proposed. Compared with CMOS circuits, these PTL-based circuits are claimed to have better results in area, speed, and power in some particular applications, such as adder and multiplier designs. Since most current automatic logic synthesis tools (such as Synopsys Design Compiler) are based on conventional CMOS standard cell library, the corresponding logic minimization for CMOS logic cannot be directly employed to generate efficient PTL circuits. In this dissertation, we develop two novel PTL synthesizers that can efficiently generate PTL-based circuits. One is based on pure PTL cells; the other mixes CMOS and PTL cells in the standard cell library to achieve better performance in area, speed, and power. Since PTL-based circuits are constructed by only a few basic PTL cells, the layouts in PTL cells can be easily updated to design large SoC systems as the process technology migrates rapidly in current Nano technology era. The proposed PTL logic synthesis flows employ the popular Synopsys Design Compiler (DC) to perform logic translation and minimization based on the standard cell library composed of PTL and CMOS cells, thus, the PTL design flow can be easily embedded in the standard cell-based ASIC design flow. In this dissertation, we also discuss PTL-based designs of some fundamental hardware components. Furthermore, the proposed PTL cell library is used to synthesize large processor systems in applications of computer arithmetic and 3D graphics.

Tomographic Particle Image Velocimetry Using Colored Shadow Imaging by Meshal K Alarfaj, Master of Science King Abdullah University of Science & Technology, 2015 Tomographic Particle image velocimetry (PIV) is a recent PIV method capable of reconstructing the full 3D velocity field of complex flows, within a 3-D volume. For nearly the last decade, it has become the most powerful tool for study of turbulent velocity fields and promises great advancements in the study of fluid mechanics. Among the early published studies, a good number of researches have suggested enhancements and optimizations of different aspects of this technique to improve the effectiveness. One major aspect, which is the core of the present work, is related to reducing the cost of the Tomographic PIV setup. In this thesis, we attempt to reduce this cost by using an experimental setup exploiting 4 commercial digital still cameras in combination with low-cost Light emitting diodes (LEDs). We use two different colors to distinguish the two light pulses. By using colored shadows with red and green LEDs, we can identify the particle locations within the measurement volume, at the two different times, thereby allowing calculation of the velocities. The present work tests this technique on the flows patterns of a jet ejected from a tube in a water tank. Results from the images processing are presented and challenges discussed.

Cardiovascular diseases (CVD) remain one of the leading causes of deaths worldwide. The formation and presence of aneurysm is a very important question in the study of this CVDs. An aneurysm is a balloon-like bulge on a blood vessel which forms over time. An aneurysm is usually considered to be a result of weakening of the blood vessel walls, this definition has stood over many years without being conclusively proven. Eventually, the aneurysm could clot or burst due to degradation of the aneurysm wall and accumulation of blood. The latter would lead to internal bleeding and result in a stroke. Local hemodynamics have been found to be very important in the study of the evolution of an aneurysm. In this study, a steady flow experimental investigation was conducted using planar Particle Image Velocimetery (PIV) on a rigid flow phantom of an idealised geometry consisting of a curve parent artery and a spherical aneurysm located on the outer convex side of the curvature. The flow phantom was fabricated directly using a commercially available desktop Stereolithography (STL) 3D printer instead of the more conventional investment casting method using a core. Although 3D printing technologies have been around for many years, the fabrication of flow phantoms by direct printing is still largely under-explored. This thesis details the results of investigation into the optimal printing and post-printing procedures required to produce a flow phantom of suitable clarity and transparency. Other important areas of concern such as the geometric accuracy, surface topography and refractive index of the final model are also investigated. A planar PIV is conducted to study the impact of flow rates on the local flow field in and around the aneurysm and their impact on the wall shear stress. It was found that direct 3D printing is appropriate for the fabrication of flow phantoms suitable for PIV or other flow visualisation techniques. It reduces the complexities and time needed compared to the conventional investment casting methods. It was observed that the optical properties of the printed material such as the high refractive index (RI) and the transmittivity of light could cause a problem in large models. From the PIV measurements it was found that flow rates affect the flow field in both the parent artery and the aneurysm. First, high velocities were observed on the outer curvature of the parent artery. Secondly the centre of rotation in the aneurysm is not at the geometric centre but is displaced slightly in the direction of the flow. Finally, the flow rate affects the angle in which flow enters the aneurysm from the parent vessel. This change in the flow angle affects the flow within the aneurysm. A higher flow rate in the parent artery increases the incident angle which brings the centre of rotation closer to the geometric centre of the aneurysm, this changes the location and magnitude of high velocities and hence the local wall shear stress (WSS) on the wall of the aneurysm. This may have implications in the evolution of aneurysms.
Mechanical and Industrial Engineering