Optisches Messverfahren PIV am Institut für Angewandte Thermo- und Fluiddynamik (ATF)

oben: Formula-Student-Modell im PIV unten: PIV-Aufbau im ATF-Windkanal

Wie schnell fließt die Luft z.B. an einem fahrenden Auto?
Ist die Luftgeschwindigkeit an jeder Stelle gleich?
Ohne einen Sensor an der gewünschten Stelle in den Versuchsaufbau zu integrieren, waren solche aerodynamische Messungen bisher nicht möglich. Und ist ein Versuchsmodell mit einem Messgerät als zusätzlichem Luftwiderstand überhaupt aussagefähig?

Am Institut für Angewandte Thermo- und Fluiddynamik (ATF) ist seit einigen Monaten ein PIV-System im Einsatz. PIV steht für „Particle Image Velocimetry“, hierbei handelt es sich um ein berührungsloses Messverfahren zur Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes.
Die Durchführung einer Messung erfolgt über ein optisches Verfahren in Verbindung mit einer auf statistischen Methoden basierenden Software und benötigt keine Sensoren im Messaufbau. Einer Luftströmung, die z.B. in einem Windkanal erzeugt wird, werden Partikel hinzugegeben, die die Luftbewegung sichtbar machen. Dieser „Rauch“ wird nun von einem leistungsstarken Laser beleuchtet.
Anschließend wird das Streulicht der Partikel von einer Kamera detektiert. Aus der Partikelverschiebung von zwei sehr kurz aufeinanderfolgenden Kameraaufnahmen wird schließlich mit Hilfe der Software das Geschwindigkeitsfeld berechnet.
Das optische Messverfahren ermöglicht die Bestimmung von Geschwindigkeiten an verschiedenen Stellen, die u.U. nur schwer durch Sensoren erfasst  werden können. Ein weiterer Vorteil gegenüber anderen berührungslosen optischen Messverfahren, wie beispielsweise der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), ist die simultane Bestimmung von Geschwindigkeiten an einer Vielzahl von Punkten in einer Ebene.

Das am ATF vorhandene FlowMaster PIV System ist jedoch nicht auf  die 2-dimensionale Strömungsanalyse, also die Strömung in einer Ebene beschränkt. Das FlowMaster Stereo-PIV System (2D3C) erlaubt die 3-dimensionale Messung innerhalb eines Lichtschnittes. Dieses Verfahren wird mit zwei Kameras realisiert und basiert auf dem Prinzip der Stereoskopie, welches auch vom menschlichen Auge bekannt ist: Zwei Kameras nehmen die Streulicht-Partikelbilder aus verschiedenen Winkeln auf. Durch die Kombination beider Kameraprojektionen lässt sich schließlich die reale Teilchenverschiebung rekonstruieren und alle drei Geschwindigkeitskomponenten können berechnet werden.
Das Messverfahren kann für eine Vielzahl von umströmten Körpern eingesetzt werden. Auch die Geschwindigkeitsfelder durchströmter Systeme, wie beispielsweise Saugrohre von Verbrennungsmotoren, lassen sich bei Schaffung einer optischen Zugänglichkeit mit dem PIV-Verfahren quantitativ erfassen. Weiterhin ist es möglich, die Einstellungen des Systems an vollkommen unterschiedliche Geschwindigkeiten, von wenigen Metern pro Sekunde bis in den transsonischen Bereich, anzupassen.

Im Lehrbetrieb wurde das PIV-System bisher zur Untersuchung und Optimierung der Aerodynamik des Formula-Student-Fahrzeuges des Delta-Racing-Teams der Hochschule Mannheim eingesetzt. Ziel war es hierbei, im Rahmen von mehreren Bachelor- und Masterarbeiten einerseits einen Abgleich zwischen CFD-Simulation und PIV-Messung zu schaffen (Validierung der CFD-Simulation), und andererseits grundsätzliche Aussagen zur Wirksamkeit verschiedener geometrischer Veränderungen am Fahrzeug in Bezug auf die Aerodynamik zu gewinnen. Die Studien wurden dabei sowohl im Windkanal als auch in der Simulation an einem verkleinerten Modell unter Einhaltung der Reynolds-Ähnlichkeit durchgeführt.  Aktuell wird am ATF ein studentischer Versuch zum PIV aufgebaut, der über die Mastervorlesung “Höhere Fluidmechanik“ Eingang in den Lehrbetrieb finden wird.


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