Messung von kohärenten Strukturen in groß-skaligen Konvektionsströmungen mittels 3D Particle Tracking Velocimetry (PTV)

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Nach einem Jahr der ersten Bewilligungsperiode stehen mit dem großen „Ilmenauer Modellraum (3D PTV-Testzelle), mit dem leistungsfähigen Berliner Heliumblasengenerator sowie mit der Dresdener PT V-Rekonstruktionssoftware drei leistungsfähige Werkzeuge zur Untersuchung von dreidimensionalen groß-skaligen Strömungsstrukturen in Luft zur Verfugung. Während im zweiten Jahr der ersten Periode das 3D Particle Tracking Velocimetry System (3D PTV) in der 7 m x 7 m großen Rayleigh-Bénard-Zelle „Ilmenauer Fass installiert und zur Charakterisierung von kohärenten Strömungsstrukturen bei Aspektverhältnis (Durchmesser zu Höhe) A - 2 genutzt werden soll, zielen die Arbeiten in der zweiten Bewilligungsperiode auf die systematische Untersuchung von groß-skaligen Strömungsstrukturen im „Ilmenauer Fass bei größeren Aspektverhältnissen. Mittels bildverarbeitender Strukturanalyse von gemessenen Geschwindigkeitsfeldern soll insbesondere der bisher noch nicht nachgewiesene Übergang von einer Einzel-Rollen- zu einer Mehrfach-Rollen-Konvektion erforscht werden. Eine weitere Problemstellung beinhaltet die dreidimensionale Detektion und statistische Analyse von Lagrange’schen Partikeltrajektorien in turbulenten thermischen Konvektionsströmungen mit dem 3D PTV-System. Für diese Aufgaben soll das 3D PTV-System wie folgt weiterentwickelt werden: a) Verlängerung der Lebensdauer der heliumgefüllten Seifenblasen bei höheren Temperaturen, b) Verbesserung der Genauigkeit als Voraussetzung für das Tracking von komplexen Strömungen, c) Aufnahme und Auswertung von stroboskopischen Partikelbildern und d) Rekonstruktion von Geschwindigkeitsfeldern oder Partikelbahnkurven für die Modenanalyse mittels POD (Proper Orthogonal Decomposition) bzw. für die Berechnung statistischer Momente (Intermittence). Dabei soll die Verflechtung der Ilmenauer und Berliner Arbeitsgruppe mit der Dresdener Arbeitsgruppe des SPP 1147 unter Leitung von Prof. Maas zielgerichtet fortgeführt und durch den erweiterten Datenaustausch und die Planung und Durchführung gemeinsamer Experimente intensiviert werden. Darüber hinaus werden Methoden der Strukturidentifikation aus den Arbeitsgruppen Rist (Uni Stuttgart) und Jähne (Uni Heidelberg) für die Analyse von groß-skaligen Strukturen in der thermischen Konvektion verwendet.