Large scale particle tracking velocimetry for 3-dimensional indoor airflow study

par Pascal Henry Biwole

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de Jean-Jacques Roux.

Soutenue en 2009

à Lyon, INSA .

  • Titre traduit

    = Suivi Lagrangien tridimensionnel de particules en grand champ pour l'étude des écoulements d'air dans les bâtiments


  • Résumé

    Alors que la majorité des méthodes actuelles de suivi Lagrangien de particules ne permettent que la mesure d'écoulements 2D ou 3D à petite échelle, le présent document décrit un algorithme complet de suivi Lagrangien 3D en grand champ. Des bulles de savon gonflées à l'hélium servent de traceurs. L'éclairement est fourni par des sources continues de type halogènes. Des cameras synchrones sont préalablement calibrées suivant des algorithmes connus afin d'avoir un repère 3D commun. Apres suppression du fond, une procédure spéciale supprime les larges spots créées par les images des bulles se rapprochant des caméras. Les centres de masse des bulles restantes sont ensuite calculés. Le suivi temporel se fait soit par corrélation croisée, soit par régression linéaire tempéré par l'emploi d'un critère de qualité. La triangulation 3D se fait par une méthode de moindres carrés. L'algorithme complet est testé dans plusieurs configurations : dans une cellule expérimentale de taille 3. 1mx3. 1mx2. 5m aux parois gris clair ; (ii) dans une salle de taille 5. 5mx3. 7mx2. 4m aux parois noires ; (iii) au dessus d'une source de chaleur; (iv) à l'intérieur d'une maquette d'avion de taille réelle; (v) dans un réservoir 100cmx100cm 100cmx rempli d'une solution aqueuse en utilisant une lumière continue et des particules creuses de 10um de large. Dans chaque cas, des lignes directrices sont données pour un positionnement optimal des cameras et des sources de lumière. Les résultats montrent que l'algorithme est capable de suivre plus de 1400 traceurs dans des volumes allant jusqu'a 3mx3mx1. 2m.


  • Résumé

    While most research on particle tracking velocimetry (PTV) is devoted either to 2D flows or to small scale 3D flows, this paper describes a complete 3D PTV algorithm and some applications to indoor airflow velocity measurement. A particle detection procedure specially adapted to the physical characteristics of neutrally buoyant helium filled soap bubbles is described. In particular, overlarge particle images are removed. Particle center are calculated by a weigh averaging method. Two temporal tracking schemes are presented and compared. The first one is based on fast normalized cross-correlation with Lagrangian extrapolation in image space to solve ambiguities. The second uses polynomial regression to find an estimated position and applies a quality criterion based on a minimization of changes in particle acceleration; to increase the measurement area and the number of trajectories, the correspondence problem is addressed by a new procedure involving fundamental matrices using both three and two 3D calibrated cameras. 3D triangulation is done by a least squares method. Some guidelines are given in terms of camera and light positioning for 3D PTV in large volumes with various wall colors. Applications of the algorithm include Lagrangian tracking: (i) in a light-gray walled 3. 1mx3. 1mx2. 5m high test-room; (ii) inside a black walled 5. 5mx3. 7mx2. 4m high test-room; (iii) over a heat source and inside; (iv) in experimental aircraft cabin; (v) in a 100cmx 100cmx100cm tank filled with an aqueous solution using continuous light and 10µm-large hollow particles. Results show that the algorithm is capable of tracking more than 1400 tracers in volumes up to 3mx3mx1. 2m high.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (171 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 128-136

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3669)
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