Particle Image Velocimetry für Strömungsfelduntersuchungen in industriellen Windkanälen

Kurzfassung

Die aktuelle Forschung in der Strömungsmechanik und Aerodynamik widmet sich zunehmend Problemen von instationären und abgelösten Strömungen. Für Untersuchungen von Strömungsfeldern mit schnellen zeitlichen und/oder räumlichen Änderungen (Transition von laminarer zu turbulenter Strömung, Propellernachläufe, oszillierende Profile in transonischer Strömung mit Stößen, Windkanäle mit kurzen Messzeiten, etc.) werden neue experimentelle Meßmethoden, wie die Particle Image Velocimetry (PIV), benötigt, die es erlauben, die Geschwindigkeit der Strömung berührungsfrei an vielen Punkten einer großen Ebene gleichzeitig zu erfassen. Mit PIV können geeignete experimentelle Strömungsfelddaten für den direkten Vergleich mit numerischen Berechnungen und die Validierung der angewendeten Algorithmen bereitgestellt werden. Während der letzten Jahre hat eine wachsende Anzahl von WissenschaftlerInnen begonnen, PIV für die Untersuchung instationärer Strömungen in verschiedenen Bereichen der Strömungsmechanik zu nutzen. Das Prinzip der PIV Messtechnik beruht dabei auf der physikalischen Definition der Geschwindigkeit als Quotient von Differenzen: Der Versatz von vielen Streupartikeln, die der Strömung schlupffrei folgen, kann mit einer geeigneten CCD- oder CMOS- Kamera aufgenommen werden, indem eine Ebene in der Strömung mit zwei sehr kurzen Lichtpulsen (~Nanosek.) in einem Abstand von wenigen Mikrosekunden beleuchtet wird. Die Partikelensemble werden zu den Zeitpunkten t und t’ auf zwei getrennten Bildern des Kamerasensors aufgenommen. Dies erlaubt es, die Kreuzkorrelation der zwei Partikelbildverteilungen in kleinen Abfragefenstern und damit die lokalen Versatzvektoren an vielen Stellen des Beobachtungsgebietes zu berechnen. Mit dem Bildvergrößerungsfaktor und der Zeitdifferenz zwischen den beiden Lichtpulsen können typischerweise mehr als 10000 momentane Geschwindigkeitsvektoren aus einem Doppelbild der Streupartikel bestimmt werden. Erweitert man das PIV System zu einer Stereo-Kamera Anordnung, ist es möglich, alle drei Komponenten der Geschwindigkeit in der Ebene zu bestimmen, wie es in dem Beispielbild unten zu sehen ist. Aktuell wird PIV in Mikroströmungen und Ebenen über 3 m² und mit Geschwindigkeiten von wenigen mm/sec bis zu einem km/sec verwendet. Der Vortrag soll Einblicke in verschiedenste Anwendungen der PIV Technik für die Aerodynamikforschung in industriellen Windkanälen u. a. bei AIRBUS geben und einige Aspekte der wissenschaftlichen Bedeutung dieser momentanen Strömungsfeldmesstechnik hervorheben.