3-D PTV for quantitatif determination of Lagrange particle trajectories in fluid flows

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3-D PTV (particle tracking velocimetry) ist ein photogrammetrisches Messverfahren der Strömungsanalyse, welches es erlaubt, für eine große Anzahl von unregelmäßig über ein dreidimensionales Beobachtungsvolumen verteilten Partikeln alle drei Komponenten des Geschwindigkeitsvektors zu bestimmen. Zusätzlich ist 3-D PTV in der Lage, Partikel über längere Zeit zu verfolgen und damit dreidimensionale Trajektorien als Voraussetzung für eine Lagrange'sche Betrachtung zu generieren. Das Verfahren wurde bislang ausschließlich für die Analyse von Phänomenen in Flüssigkeiten eingesetzt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein Verfahren entwickelt werden, das erstmals die Bestimmung von 3-D Trajektorien in Gasströmungen ermöglicht. Dazu wird eine digitale Hochgeschwindigkeitskamera mittels eines Prismenvorsatzes zu einem Aufnahmesystem erweitert, welches mit hoher zeitlicher Auflösung stereoskopische Bildsequenzen von durch geeignete Partikel visualisierten Strömungen aufnimmt. In diesen Bildsequenzen werden durch Methoden der digitalen Bildverarbeitung Partikel detektiert, aus denen durch Herstellung der spatio-temporalen Korrespondenzen dreidimensionale Trajektorien bestimmt werden. Das System wird zur quantitativen Untersuchung von Ablösungserscheinungen hinter stumpfen Körpern im Windkanal angewandt. Damit können auch instationäre Vorgänge dreidimensional mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung analysiert und mit numerischen Simulationen sowie Resultaten anderer Messverfahren verglichen werden. Durch die Ermittlung von 3-D Trajektorien im Sinne einer Lagrange'schen Betrachtungsweise ist es möglich, Ursache und Wirkung zu detektieren und damit grundlegende Erkenntnisse über die Bildung von Wirbelstrukturen bei umströmten Körpern zu erhalten.