4D Particle Tracking Velocimetry-System (4D-PTV)

• Fachliche Zuordnung: Bauwesen und Architektur
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509934143

Eine der großen, aktuellen Herausforderungen im Wasserbau weltweit ist die Überprüfung und Sanierung bestehender Stauanlagen, welche ihre zugrunde gelegte Lebensdauer oft bereits überschritten haben. Neue Anlagen werden vor allem zur Erschließung ungenutzter Wasserkraftpotentiale und zur Bereitstellung von Hochwasserschutzräumen errichtet. Sowohl für die Sanierung als auch für den Neubau sind dabei veränderliche Randbedingungen, welche insbesondere durch den Klimawandel bedingt sind, zu berücksichtigen. Wasserbauliche Anlagen sind strömungstechnisch zu optimieren und müssen eine ausreichende Sicherheit – auch unter zukünftig möglichen Extrembedingungen und in Anbetracht von Alterung und Verschleiß – gewährleisten. Ein Augenmerk liegt hierbei auf dem unterwasserseitigen Energieabbau. Die Mehrzahl vorhandener Bemessungsansätze wurde über Laborversuche mithilfe einfacher Messmethoden entwickelt, welche die Realität – aufgrund der meist dreidimensionalen Strömungsprozesse – jedoch häufig nur bedingt widerspiegeln können. Neben klassischen 1D/2D-Messmethoden wurden in jüngerer Vergangenheit vor allem optische 3D-Methoden entwickelt, welche einen zunehmenden Detaillierungsgrad bei der Strömungsanalyse bieten. Inzwischen verfügbare Particle-Tracking-Velocimetry (PTV-) Verfahren erlauben dabei durch den Einsatz mehrerer Hochgeschwindigkeitskameras die zeitlich und räumlich hochaufgelöste (4D-) Rekonstruktion der Wasserpartikelbewegungen in Laborversuchen. Neben den Geschwindigkeitsfeldern sind auch abhängige Größen wie räumliche Druckfelder auswertbar. In diesem Antrag die Beschaffung eines nicht-intrusiven 4D-PTV-System vorgeschlagen. Neue Algorithmen ermöglichen hierbei die Identifizierung von Einzelpartikeln auch bei hoher Partikeldichte, so dass der Informationsgehalt deutlich gegenüber bisherigen Verfahren erhöht werden kann. Das System erlaubt die Aufzeichnung mit etwa Full-HD Auflösung und eine Aufnahmerate von bis zu ca. 1 kHz bei Betrachtung von Volumina mit variabler Größe und Kantenlängen von bis zu mehreren Dezimetern. Durch den berührungslosen Aufbau werden Strömungseinflüsse vermieden. Als Lichtquelle sollen Hochleistungs-LEDs zum Einsatz kommen. Durch die Verwendung fluoreszierender Tracer und entsprechender Kamerafilter wird die Trennung von Wasser- und Luftphasen und somit die Anwendung des Systems in teilweise belüfteten Strömungen ermöglicht. Das beantragte 4D-PTV-System erlaubt erstmals die zeitlich und räumlich hochaufgelöste Volumenuntersuchung in Strömungen mit Fluid-Struktur-Interaktionen und kann damit maßgeblich zum Erkenntnisgewinn im Fachgebiet Wasserbau, insbesondere zur Frage der Energiedissipation in hochturbulenten Strömungen, beitragen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: 4D Particle Tracking Velocimetry-System (4D-PTV)
• Gerätegruppe: 8860 Geschwindigkeitsmeßgeräte (außer 047, 053, 192 und 244)
• Antragstellende Institution: Fachhochschule Aachen
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Daniel Bung