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.

We investigate experimentally the turbulent flow through a two-dimensional contraction. Using a water tunnel with an active grid we generate turbulence at Taylor microscale Reynolds number Reλ ~ 250 which is advected through a 2.5:1 contraction. Volumetric and time-resolved Tomo-PIV and Shake-The-Box velocity measurements are used to characterize the evolution of coherent vortical structures at three streamwise locations upstream of, and within the contraction. We confirm the conceptual picture of coherent large-scale vortices being stretched and aligned with the mean rate of strain. This alignment of the vortices with the tunnel centerline is stronger compared to the alignment of vorticity with the large-scale strain observed in numerical simulations of homogeneous turbulence. We judge this by the peak probability magnitudes of these alignments. This result is robust and independent of the grid-rotation protocols. On the other hand, while the point-wise vorticity vector also, to a lesser extent, aligns with the mean strain, it principally remains aligned with the intermediate eigen-vector of the local instantaneous strain-rate tensor, as is known in other turbulent flows. These results persist when the distance from the grid to the entrance of the contraction is doubled, showing that modest transverse inhomogeneities do not significantly affect these vortical-orientation results.

Les systèmes de climatisation et de ventilation sont souvent composés de configurations type jets impactant, sur leur partie terminale. Ainsi, les flux d’air soufflés viennent impacter des obstacles munis de fentes, de différentes formes, afin d’améliorer le mélange. Les conditions de confinement et de soufflage provoquent parfois un inconfort au niveau acoustique. Les nuisances acoustiques générées sont dues à un phénomène de boucles de rétroaction se traduisant par l’apparition des sons auto-entretenus. La production du son par un écoulement fluide en champ libre ou en interaction avec une structure a fait l’objet de nombreuses études. Dans le cas d’un champ acoustique et pour un écoulement à faible nombre de Mach la résolution du corollaire énergétique de Howe permet d’évaluer la puissance acoustique générée ou absorbée par les interactions entre le champ acoustique et l’écoulement. Le calcul de cette puissance nécessite la connaissance de trois paramètres : la vorticité, la vitesse et la vitesse acoustique par des méthodes analytiques ou en utilisant des données expérimentales. Expérimentalement, la mesure du champ cinématique, pour en déduire la vorticité, nécessite une technique de mesure tridimensionnelle. Pour cela une plate-forme expérimentale, utilisant de la vélocimétrie Laser, a été développée, et équipée pour générer les écoulements d’un jet plan. Les champs cinématiques de ces écoulements ont été mesurés en utilisant la technique PIV, avec un dispositif de PIV stéréoscopique. Les champs cinématiques de trente plans parallèles ont été mesurés afin d’étudier les champs de vitesses correspondants. Deux méthodes de reconstruction ont été appliquées à ces plans : la POD et la moyenne de phase. Le volume est obtenu par une interpolation des plans reconstruits donnant accès aux trois composantes de la vitesse. Pour valider ces méthodes de reconstruction en 3D à faible coût, elles étaient comparées à des mesures expérimentales réalisées par le même dispositif expérimental, dans les mêmes conditions, par la PIV tomographique donnant accès aux champs cinématiques tridimensionnels. / Air conditioning and ventilation systems are often composed of jets having a configuration of an impinging jet, on their end part. Thus, the blown airflows impact slotted obstacles of different shapes to improve mixing. The conditions of confinement and blowing sometimes cause acoustic incompatibility. The acoustic noises generated are due to a phenomenon of feedback loops resulting of the appearance of self-sustained sounds. The production of sound by a free flow or in interaction with a structure has been the subject of many studies. In the case of an acoustic field and for a flow of low Mach number, Howe's energetic correlation is used to evaluate the acoustic power generated or absorbed by the interactions between the acoustic field and the flow. The calculation of this power requires the knowledge of three parameters : vorticity, velocity and acoustic velocity by analytical methods or by using experimental data. Experimentally, the measurement of the kinematic field, to deduce the vorticity, requires a three-dimensional measurement technique. For this purpose, an experimental platform, using laser velocimetry, has been developed and equipped to generate flows of a plane jet. The kinematic fields of these flows were measured using the PIV technique, with a stereoscopic PIV device. The kinematic fields of thirty parallel planes were measured to study the corresponding velocity fields. Two reconstruction methods have been applied to these plans : the POD and the phase average. The volume is obtained by an interpolation of the reconstructed planes giving access to the three components of the velocity. To validate these low-cost 3D reconstruction methods, they were compared to experimental measurements made by the same experimental setup, under the same conditions, by using the tomographic PIV giving access to the three-dimensional kinematic fields.

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).

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.

Oscillating-foil hydrokinetic turbines have gained interest over the years to extract energy from renewable sources. The influence of the sweep angle on the performance of a fully-passive oscillating-plate hydrokinetic turbine prototype was investigated experimentally in the present work. The sweep angle was introduced to promote spanwise flow along the plate in order to manipulate the leading edge vortex (LEV) and hydrodynamically optimize the performance of the turbine. In the present work, flat plates of two configurations were considered: a plate with a 6° sweep angle and an unswept plate (control), which were undergoing fully-passive pitch and heave motions in uniform inflow at the Reynolds numbers ranging from 15 000 to 30 000. The resulting kinematic parameters and the energy extraction performance were evaluated for both plates. Planar (2D) particle image velocimetry (PIV) was used to obtain patterns of the phase-averaged out-of-plane vorticity during the oscillation cycle. The circulation in the wake was then related to the induced-forces on the plate by calculating the moments of vorticity of the LEV with respect to the pitching axis of the plate. Tomographic (3D) PIV was implemented in evaluating the influence of the spanwise flow on the dynamics of the vortex structure in three-dimensional space. The rate of deformation of the vortex length was quantified by calculating the deformation terms embedded in the vorticity equations, then linked to the stability of the vortex. The results show evidence of delay of the shedding of LEV and increased vortex stability, in the case of the swept plate. The manipulation of the LEV by the spanwise flow was related to the induced kinematics exhibited by the prolonged heave forces experienced by the swept plate, which led to the higher power extraction performance at high inflow velocities. In the presence of spanwise flow, positive vortex stretching along the vortex line increased the stabilization of the vortex core and prevented the onset of helical vortex breakdown, observed in the case of the unswept plate. The use of the sweep profile on the plate has led to the improvement of energy extraction performance of the fully-passive hydrokinetic turbine. / Graduate

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).