Entwicklung und Anwendung von Messsystemen der PIV zur räumlich bzw. zeitlich hochauflösenden Erfassung von Geschwindigkeitsfeldern instationärer Strömungen in Windkanälen (Themenkreis: Feldmessverfahren)
Final Report Abstract
In den ersten 2 Jahren des Projektes „Entwicklung und Anwendung von Messsystemen der PIV zur räumlich bzw. zeitlich hochauflösenden Erfassung von Geschwindigkeitsfeldern instationärer Strömungen in Windkanälen" wurden experimentelle und numerische Arbeiten zu verschiedenen Volumen-Messverfahren der PIV durchgeführt. Ziel ist die Einsatzreife dieser Verfahren in der Praxis von Windkanalmessungen. Im Schwerpunkt holographische Verfahren wurde ein Laborexperiment zur chemischen Holographie aufgebaut. Auf jeder holographischen Platte werden im räumlichen Multiplex-Betrieb zwei zeitlich aufeinanderfolgende Hologramme aufgezeichnet. Die PIV-Auswertung kann daher, ohne Richtungsdoppeldeutigkeit, mit Kreuzkorrelationen erfolgen. Der Einsatz von Glasfasern wurde experimentell evaluiert und bei den derzeit verfügbaren Materialien als für den praktischen Einsatz ungeeignet bewertet. Für die digitale Holographie sind Rekonstruktionsalgorithmen entwickelt worden. Ein Konzept für die weitere (PIV-) Softwareentwicklung wurde erstellt. Optimierungsmöglichkeiten im Bereich off-axis-Geometrien wurden aufgezeigt und erste experimentelle Untersuchungen dazu an einem Laborexperiment durchgeführt. In einer ersten Anwendung im Windkanal wurde das Volumenverfahren „Tomo-PIV" am Leitexperiment sowie an einem turbulenten Spot eingesetzt. Dabei wurden dreidimensional-dreikomponentige Geschwindigkeitsvektorfelder gemessen. Diese wurden überdies zeitlich hochaufgelöst erfasst, so dass eine praktisch vollständige Charakterisierung der Strömung erreicht wurde. In einem zweiten Experiment wurden räumlich hochauflösende Messungen an einem Düsen-Freistrahl durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigen die prinzipielle Ersetzbarkeit von Tomo-PIV in Windkanalmessungen, wenn auch mit Einschränkungen gegenüber Messungen in Wasser bzw. 2D PIV-Verfahren in Luft: Im Gegensatz zu den vergleichsweise weit einfacheren Messungen in Wasser müssen die Seeding-Partikel in Luft im Größenbereich um einen Mikrometer liegen, um der Strömung schlupffrei zu folgen. Daraus resultieren geringe Streu Intensitäten und in deren Folge ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis in der PIV-Korrelationsanalyse. Dieses Problem betrifft Tomo-PIV verstärkt, da hier mit geringen Blendenöffnungen gearbeitet werden muss, um die Partikelbilder des gesamten Messvolumens scharf abzubilden. Im Vergleich der 3D-Messverfahren hat Tomo-PIV den Vorteil eines einfachen Aufbaus sowie der prinzipiellen Skalierbarkeit von Messvolumen und Zeitauflösung. Nachteilig ist die Notwendigkeit des optischen Zugangs aus mehreren Richtungen. Holographische PIV benötigt dagegen nur eine optische Zugangsrichtung, ist aber prinzipiell beschränkt in der Tiefenauflösung und in der Größe des Messvolumens. Ferner ist im Falle der photochemisch-holographischen PIV ein vergleichsweise komplexer Aufbau erforderlich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich weiterhin keines der beschriebenen Geschwindigkeitsmessverfahren für Volumina als universell von Vorteil herausgestellt hat. Vielmehr müssen alle beschriebenen Verfahren weiterentwickelt werden, um je nach experimentellen Anforderungen ein geeignetes Verfahren zur Verfügung zu haben. Im Berichtszeitraum wurden alle im Arbeitsplan gesteckten Ziele erreicht. Darüber hinaus wurden im Bereich Tomo-PIV weitere hochwertige, auch auf internationaler Ebene anerkannte Ergebnisse erzielt.
Publications
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Investigation of a turbulent spot using time-resolved tomographic PIV., CD-Rom, Proceedings (1.4), S. 1 -15 13th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lissabon (Portugal), 2006-06-26 - 2006-06-29
Schröder, A.; Geisler, R.; Elsinga, G.E.; Scarano, F.; Dierksheide, U.
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Flow structures in a tripped turbulent boundary layer flow. An investigation using time-resolved tomographic PIV. Conference Proceedings, CD-ROM, S. 1 - 8 7th International Symposium on Particle Image Velocimetry, Roma, Italy, 2007-09-11 - 2007- 09-14
Schröder, A.; Geisler, R.; Michaelis, D.
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Investigation of a turbulent spot and a tripped turbulent boundary layer flow using time-resolved tomographic PIV. Experiments in Fluids, 44(2):305-316, February 2008
Schröder, A.; Geisler, R.; Elsinga, G. E.; Scarano, F.; Dierksheide, U.
