Darstellung von Strömungen mittels akustischer Tomographie im Windkanal

在风洞中使用声学断层扫描来表示流动

• 批准号: 18387002
• 负责人: Dr. Armin Raabe
• 金额: --
• 依托单位: Institut für Meteorologie
• 依托单位国家: 德国
• 项目类别: Research Grants
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 德国
• 起止时间: 2004-12-31 至 2010-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/18387002?language=en
• 关键词: Darstellung; von; Str; mungen; mittels

Der Vergleich von berechneten und beobachteten dreidimensionalen atmosphärischen Strömungsfeldern über einer natürlichen, komplex gestalteten Landschaft zeigt derzeit nur teilweise befriedigende Ergebnisse. Flächendeckende oder auch räumliche und zeitliche Aussagen zur Entwicklung des Strömungsfeldes über solchen Landschaftsstrukturen sind jedoch u.a. im Zusammenhang mit Prognosen von Schadstofftransporten, Bewertungen der Luftqualität, Austausch von Luft innerhalb dicht besiedelter Gebiete aber auch für die Quantifizierung des Energieumsatzes über verschiedenen Landschaftstypen von Interesse. Bislang entziehen sich diese Strömungssysteme in ihrer natürlichen räumlichen Ausdehnung und zeitlichen Entwicklung weitgehend einer experimentellen Beobachtung. Nachgestaltet werden solche Strömungssysteme über Landschaftsstrukturen als Modell im Windkanal. Die dort gewonnenen Aussagen zum Strömungsfeld werden unter Verwendung der Reynoldszahlen-Ähnlichkeit als relevant für die unter natürlichen Bedingungen ablaufenden Strömungsprozesse angesehen. Andererseits bedient man sich berechneter Strömungsfelder und sieht diese als kostengünstigen Ersatz für Beobachtungen. Die heute verfügbaren Simulationsverfahren für turbulente Strömungen in der Atmosphärenforschung (sog. Large-Eddy-Simulationsmodelle, LES) berechnen Strukturen dreidimensionaler Strömungssysteme unter verschiedenen thermischen und aerodynamischen Randbedingungen auch über komplexen Geländestrukturen. Diese für eine räumliche Gitterstruktur berechneten Strömungsdaten können in Bildern dargestellt und analysiert werden. Bilder von experimentell erfassten Luftbewegungen in der Natur, die mit den simulierten Strömungssystemen verglichen werden können, erreichen derzeit bei weitem nicht die hohe räumliche Auflösung der Simulationen. Ein Messverfahren, das direkt zu den Simulationen konsistente, z.B. Daten auf einem regelmäßigen Gitter, bereitstellen kann, ist das unter Naturbedingungen erprobte Verfahren der Akustischen LaufzeitTOMographie (A-TOM). Dieses Verfahren nutzt aus, dass sich akustische Signale über größere Strecken in Luft ausbreiten und insbesondere die Schallgeschwindigkeit infolge vom vorherrschenden Wind- und Temperaturfeld lokal verändert wird. Diese Änderung der Schallgeschwindigkeit wird in tomographischen Inversionstechniken verwendet, um Bilder von den Luftbewegungen und Temperaturverteilungen in dem Gebiet zu erzeugen, durch das sich die Schallwellen ausgebreitet haben. Andererseits hat es sich unter Naturbedingungen als nahezu unmöglich erwiesen, die komplexen Randbedingungen einer angetroffenen Strömungssituation auf experimentellem Wege mit einer für eine numerische Simulation benötigten Genauigkeit zu erfassen. Deshalb soll hier der Versuch unternommen werden, das Verfahren der akustischen Laufzeittomographie so weiterzuentwickeln, dass es auf der Skala eines Windkanals mit einer für einen Vergleich mit den Strömungssimulationen notwendigen Genauigkeit betrieben werden kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass im Windkanal verschiedene Randbedingungen eines Strömungssystems kontrolliert eingestellt werden können, die in der Natur nur der Zufall liefert. Auf diese Weise wird ein Vergleich zwischen numerisch berechneten und im Windkanal beobachteten Strömungsfeldern auf der Basis konsistenter Datensätze möglich. Der Vergleich soll auf der Basis eines bildgebenden tomographischen Verfahrens erfolgen. Eine Vergleichbarkeit der Abbildungen der gemessen und simulierten Daten ist die Vorraussetzung dafür, um dieses Messverfahren aus der Skala des Windkanals wieder in die von meteorologischen Naturexperimenten zu übertragen.

Der Vergleich von berechneten und beobachteten dreidimensionalen atmosphärischen Strömungsfeldern über einer natürlichen，komplex gestalteten Landschaft zeigt derzeit努尔teilweise befriedigende Ergebnisse. Flächendeckende oder auch räumliche und zeitliche Aussagen zur Entwicklung des Strömungsfeldes über solchen Landschaftsstrukturen sind jedoh u.a.在与运输预测的合作中，为了提高航空质量，航空内halb的Austausch也被认为是为了量化由利益相关者提供的能源。Bislang entziehen sich diese Strömungssysteme in irrer natürlichen räumlichen Ausdehnung und zeitlichen Entwicklung weitgehend einer experimentellen Beobachtung. Nachgestaltet韦尔登solche Strömungssysteme über Landschaftsstrukturen als Modell im Windkanal. Die dort gewonnenen Aussagen zum Strömungsfeld韦尔登unter Verwendung der Scholdszahlen-ahnlichkeit als relevant für die unter natürlichen Bedingungen ablaufenden Strömungsprozesse angesehen. Andererseits bedient man sich berechneter Strömungsfelder und sieht diese als kostengünstigen Ergiben für Beobachtungen. Die heute verfügbaren Simulationsverfahren für pronente Strömungen in der Atmosphere ärenforschung（sog.大涡模拟模型（Large-Eddy-Simulationmodelle，LES）将三维结构化的Strömungssysteme应用于热动力和空气动力学的复杂结构。Diese für eine räumliche Gitterstruktur berechneten Strömungsdaten können in Bildern dargestellt und analysiert韦尔登.在自然界中快速飞行的实验图片，与韦尔登已知的模拟Strömungssystemen，erreichen derzeit bei weitem nicht die hohe räumliche Auflösung der Simulationen。一个消息，这是直接的模拟一致，z.B.在一个规则的Gitter上的数据，可以被认为是一个自然的错误的Akustischen LaufzeitTOMographie（A-TOM）。这是一个很好的方法，它可以使风中的声音信号变得更强，并且可以从风和温度场的局部变化中得到更好的信息。这将在断层成像技术中得到应用，在断层成像中得到气流和温度的图像。Andererseits hat es sich unter Naturbedingungen als nahezu unmöglich erwiesen，die komplexen Randbedingungen einer angetroffenen Strömungssituation auf experimentellem Wege mit einer für eine numerische Simulation benötigten Genauigkeit zu erfassen.因此，必须对这些术语进行韦尔登，因为对声学Laufzeittomography的验证是如此之快，因为在Skala的一个风洞上有一个带有非通用的Strömungssimulationen韦尔登模拟的Vergleich。大北的情况也是如此，因为在风渠中，一个控制韦尔登的桥梁系统被破坏了，它只在自然界中存在。在这条河上，将有一个非常精确的数值计算，并在风洞中根据基本的一致性数据建立一个更好的结构。这是一种基于断层扫描的图像处理方法。一个由大气层和模拟数据组成的观测系统，在气象自然实验中，将从风管道的Skala发出的信息收集起来。