Stationäres 3D-Strömungsmesssystem für hochturbulente Strömungszustände

Ein neues Projekt am LZH hat zum Ziel, ein stationäres 3D-Strömungsmesssystem für die Messung hochturbulente Strömungszustände zu entwickeln. Das Messsystem soll vor Ort, zum Beispiel an einem Molenkopf im Tidebereich unter Welleneinfluss, erprobt werden.

Der Mensch baut mehr und mehr im Wasser. Deiche, Buhnen, Hafenanlagen, Schleusen, Bohrplattformen und bald riesige Windradfelder. Die Beanspruchung durch Seegang und Gezeiten ist enorm, um so mehr, je schneller die Wassermassen durch Engstellen gezwängt werden und dabei nicht selten hochturbulente Strömungszustände erreichen, wie der Fachmann sagt. Kolke und Unterspülungen nagen an der Bausubstanz und treiben die Unterhaltungskosten in die Höhe. Vermieden werden können sie nicht, wohl aber minimiert durch eine geschickte Art der Bauausführung unter Berücksichtigung des Strömungsverhaltens. Dieses muss erst einmal bekannt sein, damit es in Berechnungen und Simulationen Eingang findet.

Ein neues Projekt am LZH hat zum Ziel, ein stationäres 3D-Strömungsmesssystem hierfür zu entwickeln. Den Schlüssel hierzu bietet die moderne Lasertechnik: sie gestattet es, im sog. Lichtschnitt-Verfahren zunächst zweidimensional und in Erweiterung auch dreidimensional Geschwindigkeitsfelder zu messen. Dabei werden in kurzen Zeitabständen durch die Laserpulse belichtete Bilder des Strömungsfeldes mit zwei CCD-Kameras aufgenommen und digitalisiert. Mittels Autokorrelationsalgorithmen(-software) werden aus diesen Doppelbelichtungen Geschwindigkeitsfelder generiert, indem die einzelnen Elemente (an den einzelnen Teilchen gestreutes Licht) vektorisiert werden. Im Anschluss werden die gewonnenen Daten weiter bearbeitet und stehen als Tabellen oder Grafiken zur Verfügung.

Das Messsystem soll vor Ort, zum Beispiel an einem Molenkopf im Tidebereich unter Welleneinfluss, erprobt werden. Entsprechend robust muss es ausgelegt werden. Wahrscheinlich wird man keine Mühe mit zuzusetzenden Teilchen haben: die „Naturtrübung“ dürfte mehr als ausreichend sein. Die Wellenlänge 532nm des eingesetzten Laserlichtes liegt aber günstig für die Unterwasser-Reichweite.

Die gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten in hohen und höchsten Geschwindigkeitsbereichen sollen für den Aufbau eines numerischen Modells für das gewählte Fallbeispiel genutzt werden, an welchem dann Simulationen der Vorgänge und Optimierungen erprobt werden können.

Bei dem Projekt ist jedoch zunächst das Messsystem selber Versuchsobjekt: Es ist erst einmal herauszufinden, was es leisten muss. So wird man verschiedene Systeme wechselweise in eine Versuchseinheit integrieren und erproben.

Nach Abschluss der Entwicklungsphase soll jeweils ein Modell eines energieautarken und eines energieabhängigen Gesamtsystems gefertigt, getestet und optimiert werden. Die Grundlagen für die Entscheidung zu einer Variante werden durch die Einschätzungen wirtschaftlicher und technischer Gesichtspunkte am Testeinsatzort gebildet.

Projektpartner sind das Institut für Werkstoffkunde (Bereich UWTH) und das Franzius-Institut der Uni Hannover. Das Projekt wird vom BMBF und BEO (Projektträger Biologie, Energie und Ökologie) gefördert.

Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Technologie und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.

Für mehr Information:

Laser Zentrum Hannover e.V.
Herr Dipl.-Ing. Jürgen Walter
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