Darstellung von Strömungen mittels akustischer Tomographie im Windkanal

• Antragsteller: Dr. Armin Raabe
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 18387002

Der Vergleich von berechneten und beobachteten dreidimensionalen atmosphärischen Strömungsfeldern über einer natürlichen, komplex gestalteten Landschaft zeigt derzeit nur teilweise befriedigende Ergebnisse. Flächendeckende oder auch räumliche und zeitliche Aussagen zur Entwicklung des Strömungsfeldes über solchen Landschaftsstrukturen sind jedoch u.a. im Zusammenhang mit Prognosen von Schadstofftransporten, Bewertungen der Luftqualität, Austausch von Luft innerhalb dicht besiedelter Gebiete aber auch für die Quantifizierung des Energieumsatzes über verschiedenen Landschaftstypen von Interesse. Bislang entziehen sich diese Strömungssysteme in ihrer natürlichen räumlichen Ausdehnung und zeitlichen Entwicklung weitgehend einer experimentellen Beobachtung. Nachgestaltet werden solche Strömungssysteme über Landschaftsstrukturen als Modell im Windkanal. Die dort gewonnenen Aussagen zum Strömungsfeld werden unter Verwendung der Reynoldszahlen-Ähnlichkeit als relevant für die unter natürlichen Bedingungen ablaufenden Strömungsprozesse angesehen. Andererseits bedient man sich berechneter Strömungsfelder und sieht diese als kostengünstigen Ersatz für Beobachtungen. Die heute verfügbaren Simulationsverfahren für turbulente Strömungen in der Atmosphärenforschung (sog. Large-Eddy-Simulationsmodelle, LES) berechnen Strukturen dreidimensionaler Strömungssysteme unter verschiedenen thermischen und aerodynamischen Randbedingungen auch über komplexen Geländestrukturen. Diese für eine räumliche Gitterstruktur berechneten Strömungsdaten können in Bildern dargestellt und analysiert werden. Bilder von experimentell erfassten Luftbewegungen in der Natur, die mit den simulierten Strömungssystemen verglichen werden können, erreichen derzeit bei weitem nicht die hohe räumliche Auflösung der Simulationen. Ein Messverfahren, das direkt zu den Simulationen konsistente, z.B. Daten auf einem regelmäßigen Gitter, bereitstellen kann, ist das unter Naturbedingungen erprobte Verfahren der Akustischen LaufzeitTOMographie (A-TOM). Dieses Verfahren nutzt aus, dass sich akustische Signale über größere Strecken in Luft ausbreiten und insbesondere die Schallgeschwindigkeit infolge vom vorherrschenden Wind- und Temperaturfeld lokal verändert wird. Diese Änderung der Schallgeschwindigkeit wird in tomographischen Inversionstechniken verwendet, um Bilder von den Luftbewegungen und Temperaturverteilungen in dem Gebiet zu erzeugen, durch das sich die Schallwellen ausgebreitet haben. Andererseits hat es sich unter Naturbedingungen als nahezu unmöglich erwiesen, die komplexen Randbedingungen einer angetroffenen Strömungssituation auf experimentellem Wege mit einer für eine numerische Simulation benötigten Genauigkeit zu erfassen. Deshalb soll hier der Versuch unternommen werden, das Verfahren der akustischen Laufzeittomographie so weiterzuentwickeln, dass es auf der Skala eines Windkanals mit einer für einen Vergleich mit den Strömungssimulationen notwendigen Genauigkeit betrieben werden kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass im Windkanal verschiedene Randbedingungen eines Strömungssystems kontrolliert eingestellt werden können, die in der Natur nur der Zufall liefert. Auf diese Weise wird ein Vergleich zwischen numerisch berechneten und im Windkanal beobachteten Strömungsfeldern auf der Basis konsistenter Datensätze möglich. Der Vergleich soll auf der Basis eines bildgebenden tomographischen Verfahrens erfolgen. Eine Vergleichbarkeit der Abbildungen der gemessen und simulierten Daten ist die Vorraussetzung dafür, um dieses Messverfahren aus der Skala des Windkanals wieder in die von meteorologischen Naturexperimenten zu übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen