Hochgeschwindigkeitskamerasystem zur 3D-Messung von Strömungsfeldern

• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik, Technische Thermodynamik und Thermische Energietechnik
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525772482

Es sollen zwei Hochgeschwindigkeitskameras nebst Zubehör angeschafft werden. Diese bilden die Schlüsselkomponente zur vollständigen dreidimensionalen Rekonstruktion von kompressiblen Strömungsfeldern und zur Identifikation von Schallquellen in turbulenten Strömungen. Das numerische Verfahren hierzu ist eine Datenassimilation, die den Unterschied zwischen synthetischen Bildern aus einer direkten numerischen Berechnung und den realen Schlierenbildern der Hochgeschwindigkeitskameras minimiert. Methodisch sollen mit den Kameras zeitaufgelöste Aufnahmen einer Strömung aus zwei verschiedenen Perspektiven gemacht werden. Diese Aufnahmen können zum Beispiel auf Dichtegradienten oder auf eingebrachten Partikeln oder Rauch beruhen. Die gewonnenen Daten werden durch schon vorhandene Messtechnik, zum Beispiel mit Hilfe von Mikrophonen und einer thermischen Kamera ergänzt. In einem weiteren Schritt werden Strömungsberechungen desselben Vorganges, basierend auf den Navier-Stokes'schen Gleichungen durchgeführt. Dazu müssen Anfangs- und Randbedingungen für die Rechnung spezifiziert werden. Die Strömung hängt von diesen Bedingungen ab. Insbesondere bei einem turbulenten Einlass ist das aktuelle Strömungsbild sehr individuell. In den geplanten Forschungsprojekten sind jedoch Anfangs- und Randbedingungen nicht vorgegeben, sondern werden mit Hilfe einer Optimierung so bestimmt, dass der Unterschied zwischen den Hochgeschwindigkeitsbildern und synthetischen Bildern, die auf dem Strömungsfeld und dem modellierten optischen Aufbau beruhen, möglichst gering ist. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Datenassimilation. Entsprechende Vorarbeiten mit nur einer Kamera und einer ebenen Strömung liegen in der Arbeitsgruppe vor. Mit Hilfe der hier zur Beschaffung vorgeschlagenen zwei Hochgeschwindigkeitskameras können komplexe, dreidimensionale Strömungen untersucht werden. Die Geschwindigkeit der Kameras erlaubt die Untersuchung schallnaher Strömungen und aeroakustischer Phänomene. Das Resultat der Optimierung ist die vollständige, dreidimensionale Strömung. Sämtliche Strömungsgrößen sind nach der Datenassimilation der weiteren Untersuchung zugänglich. Alle Analysen, die für gewöhnlich der numerischen Berechnung vorbehalten sind, können somit am realen Experiment untersucht werden. Insbesondere soll eine Modalzerlegung der Strömung vorgenommen werden. Damit werden Arbeiten innerhalb der Arbeitsgruppe zur Bestimmung kohärenter, turbulenter Strukturen ergänzt. Diese können bisher nur auf numerischer Basis durchgeführt werden. Die zu beschaffenden Kameras erlauben diese Arbeiten am Experiment durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Hochgeschwindigkeitskamerasystem zur 3D-Messung von Strömungsfeldern
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek)
• Antragstellende Institution: Universität Bayreuth
• Leiter: Professor Dr. Jörn Lothar Sesterhenn