Quantitative Erfassung von Wirbeln durch Impfpartikel und bildgebende Messtechniken

Abstract

Um bessere Vorhersagen der komplexen Umströmung von Rotorblättern und der damit einhergehenden Wirbelbildung zu erhalten, nutzt man sowohl computergestützte Simulation, als auch Windkanalexperimente an Modellen und vollskaligen Rotorblättern. Die Datenerfassung der Experimente erfolgt zumeist mittels der Particle Image Velocimetry (PIV). Um die Leistungsfähigkeit der Auswertungssoftware und die Fehlerbehaftung der Messergebnisse besser quantifizieren zu können, wurde die Synthetische Particle Image Velocimetry (SPIV) entwickelt. Diese besteht aus einem Softwarestack zur Erstellung synthetischer Partikelbilder auf Basis von vordefinierten Strömungsfeldern, die anschließend durch herkömmliche Auswertungssoftware analysiert werden können. In dieser Arbeit wurde der bereits bestehende Softwarestack um eine physikalisch korrekte Simulation der Partikelbewegung auf Basis einer modifizierten Maxey-Riley-Gleichung erweitert und getestet, um eine realistische Voidbildung im Wirbelkern zu simulieren. Als Referenzströmungsfeld kamen hierfür ein generischer Wirbel nach dem LambOseen-Wirbel und ein reales Wirbelfeld aus einer CFD-Simulation einer Blattumströmung zum Einsatz. Eine Analyse der Voidgrößen und ein anschließender Vergleich mit Realmessdaten zeigt, dass die Verwendung einer statistischen Partikelgrößenverteilung gegenüber der Verwendung eines konstanten Partikeldurchmessers zu einer besseren Übereinstimmung der Voidgröße mit den Messdaten führt. Bei einer konstanten Partikelgröße von 1 µm werden die Messdaten dennoch gut reproduziert. Abschließend wurden eine Analyse der Auswirkungen verschiedener Auswerteparameter angestellt. Diese ergab, dass bei einem ausreichenden Seeding die Auswerteparameter kaum Einfluss auf das Endergebnis besitzen und dass das Strömungsfeld in guter Näherung reproduziert wird. Sobald es jedoch zu einer Voidbildung kommt, stellen die verschiedenen Auswerteparameter eine signifikante Fehlerquelle dar, die es zu beachten gilt.