Messung dreidimensionaler Konvektionsströmungen mittels digitaler Lichtfeldfotografie

  Lichtfeldaufnahme Urheberrecht: WSA 3D Geschwindigkeitsfeld aufgenommen mit einer Lichtfeldkamera (Raytrix R29):Vektoren visualisieren lokale Fluidgeschwindigkeiten.

Konvektive Transportvorgänge sind der Hauptmechanismus der Wärmeübertragung in verschiedenen natürlichen und industriellen Prozessen. Beispiele dafür sind ozeanische oder atmosphärische Strömungen sowie verschiedene Anwendungen in der Energie- und Verfahrenstechnik.
Das Design, die Analyse und die Optimierung von entsprechenden Anwendungen basieren auf numerischen Simulationen dieser Vorgänge unter Verwendung von vereinfachten physikalischen Modellen. Um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, müssen diese Modelle durch experimentelle Daten validiert werden. Dadurch ist gewährleistet, dass alle Eigenschaften des Problems richtig in das verwendete Modell integriert wurden und zulässige vereinfachende Annahmen gemacht worden sind.
Eine vollständige experimentelle Beschreibung eines Strömungsfeldes wäre gegeben durch die Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes, welches die drei Geschwindigkeitskomponenten in jedem Punkt der Strömung beschreibt und des Temperaturfeldes, welches die lokalen Temperaturen enthält. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene experimentelle Techniken entwickelt, um eine bestmögliche Bestimmung dieser Strömungseigenschaften zu erreichen. Eine elementare Anforderung an Strömungsmesstechniken ist die Eigenschaft nicht invasiv zu wirken, d.h. das Strömungsfeld nicht zu beeinflussen. Daher sind verschiedene traditionelle Methoden zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen von Natur aus von der Anwendung ausgeschlossen und fortgeschrittenere Methoden wie Particle Image Velocimetry (PIV) wurden entwickelt.
Die jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet der Optik und vor allem auf dem Gebiet der Lichtfeldfotographie ermöglichen neue Ansätze für die experimentelle Charakterisierung von dreidimensionalen Strömungsphänomenen. Mit der Lichtfeldtechnik ist eine Kamera in der Lage, die Position eines Objektes in allen drei Raumrichtungen zu erfassen. Dies vereinfacht potentiell den Aufbau und die Kalibrierung von PIV-Experimenten im Vergleich zu „state of the art“ Methoden wie tomographischer PIV oder holographischer PIV.
In diesem Zusammenhang ist das Ziel des Forschungsprojektes die Untersuchung und Anwendung von Lichtfeldfotographie als ein innovativer Ansatz für die experimentelle Untersuchung von konvektiven Strömungsphänomenen. Ein Hauptarbeitspaket ist dabei die Beurteilung der Möglichkeiten und Grenzen der Messtechnik durch den Vergleich mit bestehenden Methoden.

Die Anwendung auf konkrete Problemstellungen im Bereich von konvektiven Transportprozessen erfolgt auch im Rahmen folgender Projekte:

  • „Messung von Grenzschichtprofilen zur Bestimmung von Konvektionsverlusten an Solarturm Kraftwerken”
  • „Dreidimensionale Vermessung von Strömungsfeldern in Glaziologie und Stadtklimatologie mittels Lichtfeldfotografie"
 

Projektdetails

Mitarbeiter

Projektlaufzeit

06/2014 - 12/2017

Gefördert durch

HITEC Graduate School for Energy and Climate Research

Infrastruktur

  • Lichtfeldkamera