DFG Abschlussbericht : Optimierung und Integration von bildbasiertem Schlieren- und Hintergrundschlierenverfahren zur zwei- und dreidimensionalen Analyse von Raumluftströmungen

Abstract

Zur Visualisierung und Messung von Luftströmungen werden herkömmlicherweise invasive Methoden (bspw. Anemometer, Rauch, Particle Image Velocimetry u.a.) genutzt. Jedoch werden durch den Einsatz der Messtechnik die durch geringe Gradienten definierten Raumluftströmungen stark beeinflusst. Alternativen, die die schwachen Strömungen nicht-invasiv visualisieren und in der Nachbearbeitung quantifizieren können, bilden die sogenannten Schlierenverfahren, namentlich das optische Schlierenverfahren mit Schlierenspiegel sowie das Hintergrundschlierenverfahren (engl. Background-Oriented Schlieren, kurz: BOS). Beide Methoden ermöglichen die Visualisierung von Brechungsindexgradienten, verursacht durch Dichtegradienten in Fluiden. Im Rahmen des Projekts „Optimierung und Integration von bildbasiertem Schlieren- und Hintergrundschlierenverfahren zur zwei- und dreidimensionalen Visualisierung von Raumluftströmungen“ wurden beide Methoden an der Professur Bauphysik der Bauhaus-Universität weiterentwickelt und angewendet, um Raumluftströmungen zu untersuchen. Das Forschungsprojekt beleuchtete die Systemanforderungen der Schlierenverfahren, um anhand ausgewählter Parameter die Empfindlichkeit beider Verfahren zu erhöhen. Die Sensitivitäten wurden im Rahmen des Projekts auf bis zu 0,1 K (optisches Schlierenverfahren mit Schlierenspiegel) bzw. 0,3 K (BOS) optimiert. Weiterhin wurden verschiedene Methoden entwickelt und angewendet, um die zunächst qualitativen Schlierenbilder quantitativ auszuwerten. Mithilfe des Schlierenspiegels sowie dem BOS werden die meist dreidimensionalen Dichtegradienten zunächst nur zweidimensional erfasst (Sichtlinienintegration). Jedoch bietet BOS den Vorteil, dass mithilfe mehrerer Kameras das Strömungsfeld auch mehrdimensional erfasst werden kann. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden daher Aufbauten entwickelt, um Strömungen stereoskopisch (2,5-dimensional mit zwei Kameras) und tomographisch (dreidimensional mit elf Kameras) zu erfassen. Über den Verlauf des Projekts kamen beide Schlierenverfahren zur Visualisierung von verschiedenen, auf natürlicher wie auch erzwungener Konvektion basierenden Raumlufströmungen zum Einsatz. When visualizing and measuring airflow, invasive methods (e.g. anemometry, smoke, Particle Image Velocimetry etc.) are mostly used. However, these sensors or particles especially affect indoor airflows that are defined by small gradients. Alternatively, the so called schlieren imaging techniques (in particular the optical schlieren imaging technique and the background-oriented schlieren technique, BOS) can be applied. Both methods visualize density gradients in fluids non-invasively and can generate quantitative data during post-processing. Within the scope of the project “Optimization and integration of image-based schlieren and background-oriented schlieren techniques for two- and three-dimensional analysis of indoor airflows”, both methods were optimized and applied at the Department of Building Physics at the Bauhaus-University Weimar to analyze indoor airflow. During the research project, the system requirements of both schlieren imaging techniques were defined to increase the sensitivity of the setups. The sensitivity was then optimized to 0.1 K (schlieren imaging techinque with schlieren mirror) and 0.3 K (BOS). Furthermore, various methods were developed and implemented to quantify the visualizations. When working with the schlieren mirror and BOS, three-dimensional density gradients are always displayed on a two-dimensional plane (integration along the line of sight). However, when using more cameras with BOS, the flow field can be captured multi-dimensional. As part of the research project, two setups were developed to stereoscopically (2,5-dimensional with two cameras) and tomographically (three-dimensional with eleven cameras) capture the flow under investigation. During the funding period, both schlieren techniques were used to visualize airflow in various scenarios based on natural as well as forced convection.