Bild des Monats: Strömungsfeldmessung im Windkanal Eigenschaften von Turbulenzen besser verstehen – wichtig für die Luftfahrtforschung
Das „Bild des Monats“ August zeigt eine Impression einer Strömungsfeldmessung mit der „Particle Image Velocimetry“ (PIV). Der Strömung – in diesem Fall die Luftströmung in einem Windkanal – werden feinste Tröpfchen als sogenannte „Tracer“ beigefügt, die dann in einem Schnitt mit einem leistungsstarken Neodym-YAG-Laser beleuchtet werden. Der Laser macht die Bewegung der Tracer sichtbar, die dann mit hochauflösenden Kameras festgehalten und ausgewertet wird. Für die Forschenden am Institut für Strömungsmechanik der TU Braunschweig sind derartige Strömungsfeldmessungen ein unverzichtbares Mittel, um Strömungen bis in die kleinsten Details zu vermessen. Wichtig ist diese Forschung etwa im SE2A Exzellenzcluster zur nachhaltigen Luftfahrt.
Strömungsfeldmessung mit der „Particle Image Velocimetry“ (PIV). Bildnachweis: Peter Scholz, Wiebke Breitenstein
Typische Herausforderungen bei der Vermessung von Strömungen sind, dass viele Phänomene dreidimensional und stark nichtlinear sind. Diese Phänomene reagieren empfindlich auf Änderungen der Umgebungsbedingungen, was auch als „Butterfly-Effekt“ bekannt ist. Dies gilt in besonderem Maße für turbulente Strömungen. Ein genaues Verständnis der inneren Eigenschaften der Turbulenz und der Phänomene, die zur Turbulenz führen, ist ein wesentlicher Schlüssel, um Effizienz und Stabilität von Strömungen in Technik und Natur beeinflussen zu können. PIV-Messungen ermöglichen es, die Strömungsstrukturen bis ins Detail sichtbar zu machen. Die daraus bestimmten Geschwindigkeitsfelder werden dann mit statistischen Methoden weiter analysiert.
Das Bild zeigt im Vordergrund die hochauflösende Kamera und in der Messstrecke den durch den grünen Neodym-YAG-Laser beleuchteten Lichtschnitt. Die Kamera betrachtet den Lichtschnitt hier unter einem bestimmten Winkel. Links außerhalb des sichtbaren Bildes befindet sich eine zweite Kamera, die ebenfalls den Lichtschnitt abbildet. Die beiden Kameras liefern somit ein stereoskopisches Bild, aus dem alle Komponenten der Geschwindigkeit bestimmt werden können.
Eine einzelne Belichtung ist extrem kurz (etwa 5 Nanosekunden), sodass die komplexen Strömungsstrukturen in diesem Bild „eingefroren“ sind. Typischerweise werden viele einzelne Aufnahmen („Snapshots“) kombiniert, um das mittlere Strömungsfeld und die Turbulenzkomponenten zu trennen.
Mit neuen Beschaffungen am Institut für Strömungsmechanik sollen derartige Messungen zukünftig auch mit hoher Zeitauflösung (bis 10 kHz) sowie in einem tomographischen, also schichtweisen Aufbau mit vier Kameras möglich werden. Die Forschenden erhoffen sich aus den Daten beispielsweise Statistiken höherer Ordnung und Lagrange’sche Betrachtungen, die Aufschluss über das innere Wesen von Strömungen geben können.
Diese Forschungen geben, zum Beispiel, Aufschluss über die Ursache des Reibungswiderstandes. Die Erkenntnisse können entsprechend genutzt werden, um den Widerstand von Flugzeugen zu verringern. „Zusammen mit einer hohen Zeitauflösung kann auch die Dynamik der Strömung verstanden werden, was wiederum bei der Reaktion auf Böen und den dazugehörigen aerodynamischen Lasten eine große Rolle spielt. Letztlich kann dann der Widerstand und das Gewicht der Flugzeuge reduziert werden“, sagt Dr. Peter Scholz vom Institut für Strömungsmechanik.
