Messung von kohärenten Strukturen in groß-skaligen Konvektionsströmungen mittels 3D Particle Tracking Velocimetry (PTV)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das wesentliche Ergebnis der Arbeiten besteht darin, dass es ein dreidimensionales Messverfahren entwickelt wurde, um die Eigenschaften der groß-skaligen Zirkulationen in Luft in sehr großen Messvolumina zu untersuchen. Die Erprobung des PTV-Systems wurde zunächst in der rechteckigen Zelle “Ilmenauer Modellraum” durchgeführt. Die Maße der Zelle sind 4,2 m × 3,6 m × 3,0 m. Dabei wurden die einzelnen Komponenten wie Kameras, Beleuchtung, Tracer-Partikel ausgewählt und getestet. Bei der Rekonstruktion der Partikelkoordinaten wurde eine potentielle Genauigkeit von 0,14 mm für die Lagekoordinaten und 0,15 mm f¨ür die Tiefenkoordinaten erreicht. Bei der durchgeführten Validierungsmessung mittels eines Testkörpers mit bekannter Trajektorie wurde ein relativer Fehler von 0,7% bei der Geometrie der Trajektorie errechnet. Der Fehler bei der Geschwindigkeitsberechnung liegt in der gleichen Größenordnung, weil der zeitliche Fehler durch exakte Synchronisation der Aufnahmekameras kleiner als 0,1% ist. Für den Einsatz des 3D-PTV-Systems in großen Messvolumina von mehreren Metern Ausdehnung sind neue Tracer-Partikel erforderlich. Es wurden für den Einsatz in Luftströmungen heliumgefüllte Seifenblasen (HSB) und heliumgefüllte Latexballons (HLB) verwendet. Der Durchmesser der Seifenblasen beträgt 4 mm. Die analytische Berechnung der optische Eigenschaften der Blasen zeigen, dass nur 3% des auf die Blase treffenden Lichtes reflektiert wird, dagegen beträgt der Transmissionsanteil 53%. Die Lebensdauer der HSB bei Raumtemperatur liegt bei 4 Minuten. Bei höheren Temperaturen verkürzt sich die Lebensdauer der Blasen durch die schnellere Verdunstung der Seifenhaut. Bei den Latexballons beträgt der Durchmesser 150 mm. Dank dieser Größe sind die HLB auch auf größeren Distanzen und geringerer Lichtintensität gut sichtbar. Durch die Beschichtung der Balloninnenseite mit einer speziellen Lösung wird eine Lebensdauer bis zu 20 Stunden erreicht. Die Stokes-Zahl von beiden Partikeln wurde für turbulente Umströmung berechnet und liegt sowohl für Seifenblasen als auch für Ballons unter dem kritischen Wert von eins. Während die HSB aufgrund ihrer relativ geringen Größe eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung des Geschwindigkeitsfeldes liefern können, sind die wesentlich größeren HLB mit größerer Stokes-Zahl nur für die Charakterisierung von groß-skaligen Zirkulationen einsetzbar. Im Grunde genommen besteht das neue 3D-PTV-System aus vier Kameras, zwei Blitzgeräten und Bildverarbeitungssoftware. Es wurde anschließend im Konvektionsexperiment “Ilmenauer Fass” bei Aspektverhältnis Γ = 2 erfolgreich eingesetzt. Mit Aufnahmefrequenzen von 1 oder 2 Hz konnten bis zu 5300 Epochen aufgenommen werden. Die Anzahl der Partikeln (HLB) wurde zwischen vier und acht variiert. Die erreichbare Genauigkeit im Ilmenauer Fass beträgt 0,3 mm für die Lagekoordinaten und 0,5 mm für die Tiefenkoordinaten. Bei Rayleigh-Zahlen Ra = 7,5×1010 und Ra = 1,3×1011 wurden drei verschiedene Moden von groß-skaligen Zirkulationen gemessen: große Walze (GW), kleine Walze (KW) und Tornado. Damit wurden frühere Strukturmessungen mit Stereo-PIV bestätigt. Sowohl die GW als auch die KW verhalten sich zeitlich instabil und tendieren zur Transition in die jeweils andere Modenstruktur. Beide Zirkulationsmoden zeigen einen ausgea prägten dreidimensionalen Charakter. Erstmalig wurde eine in thermischer Konvektion bisher nicht bekannte sogenannte Tornado-Struktur nachgewiesen und als Plume-Ablösung von der Heiz- bzw. Kühlplatte mit zusätzlicher Drallkomponente interpretiert. Aus den rekonstruierten Koordinaten der HLB wurden Zeitreihen der Geschwindigkeitszirkulationen in drei Koordinatenrichtungen berechnet. Diese zeigen, dass auch in den groß-skaligen Zirkulationen die typischen turbulenten Fluktuationen auftreten. Es konnte noch gezeigt werden, dass die Analyse der Geschwindigkeitszeitreihen mittels Autokorrelationsfunktion und Frequenzspektrums charakteristische Zeitskalen für die Zirkulationsströmungen liefert. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) der Geschwindigkeitsfluktuationen zeigt eine Gausverteilung, während wir bei den Beschleunigungsfluktuationen ein intermittentes Verhalten finden. Allerdings hat die statistische Analyse in dieser Arbeit nur exemplarischen Charakter, weil die Menge der aufgenommenen Daten noch zu gering ist. Die Gründe dafür sind Leistungsgrenzen der Hardware (räumliche und zeitliche Auflösung, Speicherplatz) und die begrenzte Lebensdauer der Tracer-Partikel.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Eigenschaften von groß-skaligen Zirkulationen in thermischer Konvektion. Proc. 17. Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik, Erlangen, 2009
Lobutova, E., Du Puits, R.; Resagk, C.
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Extended three dimensional particle tracking velocimetry for large enclosures. Image measurements methods for flow analysis, Notes on numerical fluid mechanics and multidisciplinary design, 2009, Nitsche, W.; Dobriloff, C. (Eds.), Springer
Resagk, C.; Lobutova, E.; Rank, R.; Müller, D.
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Flow structures in air convection measured with 3D particle tracking velocimetry. Proc. 8th Int. Symp. Particle Image Velocimetry, Melbourne, 2009
Lobutova, E.; Resagk, C.
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Investigation of large-scale circulations in room air flows using three-dimensional particle tracking velocimetry. Building and Environment, 45, 1653-1662 (2010)
Lobutova, E.; Resagk, C.; Putze, T.
