Laboratorium Techniki PIV zlokalizowane jest w pomieszczeniu C-314. Głównym obszarem zainteresowań badań prowadzonych w tym laboratorium jest przeprowadzanie eksperymentów walidacyjnych modeli matematycznych opisujących przepływ ciepła i płynów oraz wyznaczanie właściwości fizycznych płynów z wykorzystaniem obrazowych technik pomiarowych.

Stanowiska badawcze

Stanowisko do wyznaczania krzywych sorpcji i efektywnego współczynnika dyfuzji wody

Stanowisko to zostało zbudowane aby wyznaczyć izotermy sorpcji oraz efektywny współczynnik dyfuzji wody w papierze. Krzywa sorpcji jest to krzywa równowagi pomiędzy wodą zabsorbowaną przez ośrodek porowaty, a otaczającym ten ośrodek powietrzem. Dla zadanych parametrów powietrza tj. ciśnienia, temperatury i wilgotności pozwala ona na określenie równowagowej zawartości wilgoci w ośrodku porowatym. Efektywny współczynnik dyfuzji wody w ośrodku porowatym jest zastępczym współczynnikiem opisującym transport wody w ośrodku porowatym bez względu na to czy jest ona w postaci związanej na powierzchni ciała porowatego, czy jest w postaci ciekłej czy też parowej. Obie wielkości są szeroko wykorzystywane w analizie i projektowaniu procesów suszenia. Obie wielkości wyznacza się w oparciu o zarejestrowane na zbudowanym stanowisku tzw. krzywe sorpcji, czyli krzywe pokazujące zmiany masy początkowo suchej próbki umieszczonej w powietrzu o określonych parametrach tj. temperatury, ciśnienia i wilgotności. Badaną próbkę umieszcza się w eksykatorze zawierającym nasycony roztwór soli, który w stałej temperaturze wymusza stałą określoną wilgotność powietrza. Temperatura powietrza wewnątrz eksykatora utrzymywana jest w zadanej tolerancji za pomocą regulatora sterującego włączaniem i wyłączaniem grzejnych lamp halogenowych, w oparciu o sygnał temperaturowy z czujnika PT100 umieszczonego wewnątrz eksykatora. W skład stanowiska wchodzą (zdjęcie i schemat poniżej):

• precyzyjna waga analityczna Sartorius CP224S-OCE o dokładności 0,1 mg
• eksykator z próbką, wypełniony roztworem nasyconym soli (w eksperymentach wykorzystuje się roztwory KCl, NaCl, MgCl₂, LiCl, NaBr - zapewniające wilgotność powietrza w zakresie 0,1-0,8)
• zbiornik szklany izolujący eksykator od wpływu warunków otoczenia
• halogenowe lampy grzejne
• regulator temperatury
• sonda PT100
• komputer do akwizycji danych
• masa próbki rejestrowana przez wagę jest przesyłana do pamięci komputera poprzez interfejs szeregowy wagi i zapisywana na dysku z częstotliwością kilku próbek na sekundę
• akwizycja danych jest realizowana za pomocą programu napisanego w środowisku LabView

Stanowisko pomiarowe do rejestracji krzywych sorpcji.

Schemat stanowiska pomiarowego do rejestracji krzywych sorpcji.

Krzywa sorpcji wody w papierze, roztwór KCl, temperatura powietrza 30^oC, wilgotność powietrza 84 %.

 '

Efektywny współczynnik dyfuzji wody w papierze wyznaczony tzw. metodą nachylenia krzywych sorpcji w funkcji temperatury i wilgotności papieru.

Po ukończeniu badań dla papieru wykorzystywanego w produkcji przepustów elektrycznych stanowisko zostało zdemontowane, jednak jego prostota pozwala na bardzo szybki montaż i uruchomienie.

Stanowisko do pomiaru własności reologicznych cieczy

Głównym elementem stanowiska jest wysokiej klasy reometr AR2000ex firmy TA Instruments pracujący w trybie kontrolowanego naprężenia (Controled Stress - CS) i w trybie kontrolowanego odkształcenia z regulowaną szybkością ścinania (Controled Rate - CR), pozwalającego  na charakterystykę reologiczną cieczy w zakresie:

• analizy płynięcia (analiza wiskozymetryczna)
• analiza pełzaniowa wraz z powrotem pełzaniowym
• analiza oscylacyjna
• analiza relaksacji naprężeń
• pomiar siły normalnej
• pomiar napięcia powierzchniowego (reologia powierzchni cieczy)

Napęd urządzenia stanowi precyzyjny silnik kubkowy z łożyskiem powietrznym wykonanym z węgla porowatego o bardzo niskim momencie bezwładności na poziomie 15 uNms2. Badana próbka w geometrii stożek-płytka i płytka-płytka jest termostatowana za pomocą płytki Peltier’a. Łożysko powietrzne zasilane jest suchym powietrzem za pomocą wyciszonej sprężarki. Podstawowe parametry systemu pomiarowego:

• zakres momentu obrotowego 0,03 uNm - 200 mNm
• zakres prędkości obrotowej 0 - 300 rad/s
• rozdzielczość pomiarowa momentu obrotowego 1nNm
• rozdzielczość pomiarowa odkształcenia kontowego 40 nrad
• zakres częstotliwości oscylacji 1,2 10^-7 - 100 Hz
• zakres pomiaru sił normalnych 0,005 - 50 N
• termostatowanie próbek w zakresie -40 - 200^oC

Reometr wraz z jednostką sterującą.

Laboratorium dysponuje kilkoma geometriami pomiarowymi, pozwalającymi na pomiar własności reologicznych cieczy o bardzo szerokim zakresie lepkości: stożek 40 mm, 2o, wykonany ze stali nierdzewnej, moment bezwładności 7.3 uNms2 (zdjęcie poniżej), stożek 40 mm, 1o, wykonany z anodyzowanego aluminium, moment bezwładności 2,5 uNms2 (zdjęcie poniżej), stożek 60 mm, 1o, wykonany z anodyzowanego aluminium, moment bezwładności 7,3 uNms2 (zdjęcie poniżej), pierścień DuNouy do pomiaru własności reologicznych powierzchni rozdziału faz w tym napięcia powierzchniowego (zdjęcie obok).

Poniżej przedstawiono kilka wybranych wyników pomiarów, prezentujących możliwości urządzenia.

Lepkość wody w funkcji temperatury, wyniki porównane z danymi tablicowymi, układ pomiarowy: stożek 40 mm, 2^o - stal nierdzewna.

 Ciecz analogowa o silnie nieniutonowskich własnościach, układ pomiarowy: stożek 40 mm, 1^o - aluminium anodyzowane.

Zależność lepkości od temperatury dla żywicy epoksydowej, układ pomiariwy: stożek 40 mm, 2^o - stal nierdzewna.

Stanowisko do wizualizacji przepływu z powierzchnią swobodną

Stanowisko to docelowo ma pozwolić na realizację i rejestrację eksperymentu zalewania transformatora elektrycznego analogiem żywicy epoksydowej o zmierzonych właściwościach fizycznych. Podczas eksperymentu mierzone będą niektóre wielkości związane z kształtem powierzchni swobodnej oraz prędkość cieczy na powierzchni swobodnej, otrzymane dane eksperymentalne mają posłużyć do walidacji modeli matematycznych przepływów z powierzchnią swobodną. Głównymi elementami stanowiska są:

• model formy transformatora średniej mocy (przekładnika napięciowego)
• układ zasilania formy sterowany za pomocą zaworu pneumatycznego
• układ sterowania zaworem
• system oświetlaczy diodowych
• szybka monochromatyczna kamera CMOS, CamRecord 600 firmy Optronis
• monochromatyczna kamera do widzenia maszynowego - Pulnix TM-6740
• komputer do akwizycji danych
• środowisko programistyczne LabView do sterowania układem

Parametry kamery Optronis CamRecord 600:

• rozdzielczość sygnału wyjściowego 10bit
• rozdzielczość matrycy CMOS 1280x1024
• prędkość rejestracji przy maksymalnej rozdzielczości 500 kl/s
• prędkość rejestracji przy zmniejszonym obszarze obserwacji do 100000 kl/s
• pamięć wewnętrzna 4 GB
• tryb PIV - rejestracja dwóch klatek w bardzo krótkiej odstępie 200 ns
• interfejs zewnętrzny - Gigabit Ethernet

Parametry kamery Pulnix TM-6740:

• rozdzielczość sygnału wyjściowego 8bit
• rozdzielczość matrycy CCD 640x480
• prędkość rejestracji przy maksymalnej rozdzielczości 200 kl/s
• prędkość rejestracji przy zmniejszonym obszarze obserwacji do 1250 kl/s
• interfejs zewnętrzny - Camera Link
• karta do akwizycji obrazu - NI PCI-1428 wyposażona w 16 MB wewnętrznej pamięci SDRAM