Optimierung und Integration von bildbasiertem Schlieren- und Hintergrundschlierenverfahren zur zwei- und dreidimensionalen Analyse von Raumluftströmungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Conrad Völker
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444059583

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zur Visualisierung und Messung von Luftströmungen werden herkömmlicherweise invasive Methoden (bspw. Anemometer, Rauch, Particle Image Velocimetry u.a.) genutzt. Jedoch werden durch den Einsatz der Messtechnik die durch geringe Gradienten definierten Raumluftströmungen stark beeinflusst. Alternativen, die die schwachen Strömungen nicht-invasiv visualisieren und in der Nachbearbeitung quantifizieren können, bilden die sogenannten Schlierenverfahren, namentlich das optische Schlierenverfahren mit Schlierenspiegel sowie das Hintergrundschlierenverfahren (engl. Background-Oriented Schlieren, kurz: BOS). Beide Methoden ermöglichen die Visualisierung von Brechungsindexgradienten, verursacht durch Dichtegradienten in Fluiden. Im Rahmen des Projekts „Optimierung und Integration von bildbasiertem Schlieren- und Hintergrundschlierenverfahren zur zwei- und dreidimensionalen Visualisierung von Raumluftströmungen“ wurden beide Methoden an der Professur Bauphysik der Bauhaus- Universität weiterentwickelt und angewendet, um Raumluftströmungen zu untersuchen. Das Forschungsprojekt beleuchtete die Systemanforderungen der Schlierenverfahren, um anhand ausgewählter Parameter die Empfindlichkeit beider Verfahren zu erhöhen. Die Sensitivitäten wurde im Rahmen des Projekts auf bis zu 0,1 K (optisches Schlierenverfahren mit Schlierenspiegel) bzw. 0,3 K (BOS) optimiert. Weiterhin wurden verschiedene Methoden entwickelt und angewendet, um die zunächst qualitativen Schlierenbilder quantitativ auszuwerten. Mithilfe des Schlierenspiegels sowie dem BOS werden die meist dreidimensionalen Dichtegradienten zunächst nur zweidimensional erfasst (Sichtlinienintegration). Jedoch bietet BOS den Vorteil, dass mithilfe mehrerer Kameras das Strömungsfeld auch mehrdimensional erfasst werden kann. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden daher Aufbauten entwickelt, um Strömungen stereoskopisch (2,5-dimensional mit zwei Kameras) und tomographisch (dreidimensional mit elf Kameras) zu erfassen. Über den Verlauf des Projekts kamen beide Schlierenverfahren zur Visualisierung von verschiedenen, auf natürlicher wie auch erzwungener Konvektion basierenden Raumluftströmungen zum Einsatz.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.34657/17585

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Einsatz von Filtern zur Reduktion der Ausbreitung der Atemluft beim Spielen von Blasinstrumenten und beim Singen während der COVID-19 Pandemie. In: Musikphysiologie und Musikermedizin 27 (3), S. 97–102
  Becher, Lia; Mühlenberend, Andreas; Gena, Amayu Wakoya & Völker, Conrad
  
• Risikoeinschätzung zur Ausbreitung der Atemluft bei Blasinstrumenten und Sängern während der COVID-19 Pandemie
  Becher, Lia; Gena, Amayu Wakoya; Völker, Conrad; Richter, Bernhard & Spahn, Claudia
  
• Risikoeinschätzung zur Ausbreitung der Atemluft beim Spielen von Blasinstrumenten und beim Singen während der COVID-19 Pandemie. 1. Update
  Becher, Lia; Gena, Amayu Wakoya; Völker, Conrad; Richter, Bernhard & Spahn, Claudia
  
• The spread of breathing air from wind instruments and singers using schlieren techniques. Indoor Air, 31(6), 1798-1814.
  Becher, Lia; Gena, Amayu W.; Alsaad, Hayder; Richter, Bernhard; Spahn, Claudia & Voelker, Conrad
  
• Sensitivity analysis of a largescale schlieren imaging setup when measuring indoor airflow. In: Proceedings of BauSIM 2022. Weimar, 20. - 22. September
  Gena, Amayu Wakoya; Becher, Lia & Voelker, Conrad
  
• The Spread of Exhaled Air and Aerosols during Physical Exercise. Journal of Clinical Medicine, 12(4), 1300.
  Alsaad, Hayder; Schälte, Gereon; Schneeweiß, Mario; Becher, Lia; Pollack, Moritz; Gena, Amayu Wakoya; Schweiker, Marcel; Hartmann, Maria; Voelker, Conrad; Rossaint, Rolf & Irrgang, Matthias
  
• Application of the background-oriented schlieren technique to visualize indoor airflows
  Benetas, Lia; Hartmann, Maria & Voelker, Conrad
  
• Tomographisches Background-Oriented Schlieren (BOS) zur Visualisierung von Luftströmungen. In: Proceedings of Bauphysiktage. Weimar, 06. - 07. März
  Benetas, Lia; Alsaad, Hayder & Völker, Conrad