German Title: 3D-Strömungsmessungen mittels Stereo-Bildverarbeitung

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Abstract

Ein neues Verfahren zur Messung des dreidimensionalen Strömungsfeldes mittels 'Particle Tracking Velocimetry' wird vorgestellt. Ein zweidimensionales Particle Tracking Velocimetry liegt dem Verfahren zugrunde. Es wurde auf die dritte Raumdimension erweitert, um den gesamten physikalischen Raum zu erfassen. Dieses Verfahren erlaubt, das Lagrange´sche Strömungsfeld zu bestimmen, woraus auch das von vielen anderen Verfahren erhaltene Euler´sche Geschwindigkeitsfeld berechnet werden kann. Das für den Einsatz am Wind-Wellen-Kanal entwickelte Kalibrierverfahren ermöglicht eine hohe räumliche Auflösung. Der Stereokamera-Aufbau und der Versuchsaufbau wurde für die Strömungsmessungen optimiert. Dabei wurde erstmals ein Flüssigkeitsprisma und eine Scheimpflug-Kamera-Anordnung eingesetzt. Numerische Rechnungen unter Verwendung der finite Elemente-Methode zeigen die Komplexität des Problems, freie Wasseroberflächen mit windinduzierten Scherkräften als Randbedingung zu behandeln. Sie machen deutlich, daß experimentelle Untersuchungen unerlässlich sind, um Phänomene wie das Abtauchen von oberflächennahen Flüssigkeitselementen in tiefere Schichten zu beschreiben. Strömungsmessungen wurden an einem neu konstruierten Wind-Wellen-Kanal (AEOLOTRON) und am kleineren Vorgängermodell mit dem neuentwickelten Bildverarbeitungsverfahren durchgeführt. Die Strömungsfelder von windinduzierten Wasserwellen konnten auf diese Weise Geschwindigkeitsfeld und 'Turbulenzzustand' charakterisiert werden.

Translation of abstract (English)

A new method to record three-dimensional liquid flow fields by using `Particle Tracking Velocimetry' is presented. It is based on a two-dimensional Particle Tracking Velocimetry method. It was extended to the third space dimension in order to include the complete physical space. This procedure allows to determine the Lagrange-flow field and to calculate from it the Euler-velocity flow field obtained from many other flow measuring techniques. A calibration method was developed for the wind-wave-flume which allows a high resolution in space. The stereo camera setup and the experimental setup were optimized for the liquid flow measurements. For the first time a liquid prism and a Scheimpflug-camera geometry was used. Numerical calculations using the finite element method demonstrate the complexity of the problem of dealing with free surfaces with wind-induced shear forces as a boundary condition. They show clearly that experimental studies are indispensable for describing phenomena such as `bursts' (descending of liquid elements from close to the surface into deeper layers). Flow measurements were performed in a newly constructed wind-wave-flume (AEOLOTRON) and in a smaller predecessor by using the newly developed imaging methods. In this way the flow fields of wind driven water waves could be characterized by the velocity field and the `turbulence' conditions.