Darstellung von Strömungen mittels akustischer Tomographie im Windkanal

Projektnummer: DFG, RA 569/16-1
Projektleiter: Dr. Armin Raabe
Bearbeiter: Dr. Manuela Barth, Michael Wilsdorf

Ziel des Projektes war die Weiterentwicklung eines Verfahrens zur zeitgleichen dreidimensionalen Erfassung von Strömungs- und Temperaturfeldern.

Die akustische Laufzeittomographie (A-TOM) ist ein Verfahren, welches die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Signale in Luft von den Parametern Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit entlang des Ausbreitungsweges nutzt, um aus Messungen der Schallgeschwindigkeit auf diese Parameter zu schließen.

Im Rahmen der Arbeit wurde ein in Ansätzen vorhandenes Messverfahren derart weiterentwickelt und getestet, so dass es nun möglich ist, ein Messgebiet mit bis zu 16 Schallsendern und 16 Schallempfängern zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem erarbeiteten Verfahren gleichzeitig Strömungsfelder und Temperaturfelder in ihrer räumlichen (3D) Verteilung und ihrer zeitlichen Entwicklung beobachtet werden können.

Hierfür wurden zunächst spezielle akustische Sensoren (Lautsprecher) konzipiert und gebaut, die den Anforderungen zur Anwendung für eine dreidimensionale akustische Laufzeittomographie genügen. Neben einer geringen räumlichen Ausdehnung, um die zu bestimmenden Felder möglichst wenig zu beeinflussen und einer flexiblen Positionierbarkeit um das Messgebiet, ermöglichen die neu entwickelten Lautsprecher eine homogene räumliche Schallabstrahlung, welche unerlässlich für die Anwendung bei akustisch tomographischen Laufzeitmessungen ist.

Des Weiteren wurde ein Algorithmus für die Berechnung der räumlichen Strömungs- und Temperaturverteilungen auf Grundlage einer iterativen algebraischen Rekonstruktionstechnik entwickelt und in das Messsystem integriert. Die Rekonstruktionsgenauigkeit des Algorithmus wurde mittels Sensitivitätsstudien untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass für verschiedene vorgegebene Verteilungen gute Übereinstimmungen zwischen den Vorgaben und den rekonstruierten Verteilungen erreicht werden.

Anschließend wurde das Verfahren unter verschiedenen Bedingungen im Labor (ohne Strömung) sowie im Niedergeschwindigkeitswindkanal der Technischen Universität Dresden erprobt. Bei Windstille bildete sich im Labor in guter Übereinstimmung mit herkömmlichen Messverfahren eine thermische Schichtung innerhalb des Messvolumens heraus. Wurde das Volumen im Windkanal durchströmt, dann zeigen sich wie zu erwarten war und wie durch das Verfahren auch beobachtet solche thermischen Unterschiede innerhalb des Messgebietes nicht. Die tomographisch rekonstruierten Geschwindigkeitsverteilungen zeigten bei homogener Anströmung des Messvolumens im Windkanal eine gute Übereinstimmung mit den eingestellten Strömungsgeschwindigkeiten.

In weiteren Windkanalexperimenten wurden zur Erzeugung von Strömungsinhomogenitäten verschiedene Störkörper in den Luftstrom eingebracht und die Strömung mithilfe von Nebel sichtbar gemacht bzw. an ausgewählten Punkten mit einer Hitzdrahtsonde vermessen. Auch hier konnte für die Messpunkte eine gute Übereinstimmung zwischen den akustisch gewonnenen Daten und diesen für die Windkanalmesstechnik üblichen Methoden festgestellt werden. Nur - das hier vorgestellte Verfahren liefert gleichzeitig noch eine räumliche Verteilung von Strömung und Temperatur im Beobachtungsvolumen.


Technische Realisierung eines Versuchsaufbaus zur Untersuchung der Strömungseigenschaften im Niedergeschwindigkeitswindkanal der TU Dresden mittels akustischer Laufzeittomographie und Sichtbarmachung der Strömung mit Nebel
Ergebnis der tomographischen Rekonstruktion der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Messvolumens. Pfeile repräsentieren die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der vorgegebenen Messfläche, die Farbskalierung entspricht der Geschwindigkeitskomponente quer zu dieser Ebene in m/s

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