Entwicklung eines Echtzeit 3-D PIV Systems zur Analyse instationärer aerodynamischer Phänomene im Insektenflug
Final Report Abstract
Ziel des Antrags war die Entwicklung einer neuartigen Bildanalyse-Methode zur Quantifizierung von 3-dimensionalen Strömungen an Insektenflügeln mittels digitaler Partide-lmage-Velocimetry (DPIV). Herkömmliche kommerzielle Stereo-DPIV-Geräte rekonstruieren 3-dimensionale Strömungen innerhalb eines dünnen Fluidvolumens durch sequenzielle Messungen einzelner Schichten des Volumens. Das neu rekonstruierte Messprinzip erlaubt es dagegen, Strömungsvektoren (3-D) gleichzeitig in mehreren dicken, farbkodierten Lichtschnitten zu erfassen. Innerhalb der letzten 30 Monate konnte ein funktionierendes System entwickelt werden, das in 6 dicken Fluidschichten 3-dimensionale Strömungen in einem 120x100x43 mm großem (BxHxT) Volumen bestimmt. In einem Versuchsaufbau bestehend aus einem elektromechanischen Insektenflügel, einem Tank mit Mineralöl und einem Mikrokontroller zur Bewegungssteuerung wurde das neue Messprinzip intensiv getestet und erste Vorversuche für die 3-D Rekonstruktion von Wirbelstrukturen am Insektenflügel durchgeführt. Die automatisierte Versuchsdurchführung und Auswertung bietet den Komfort kommerzieller Produkte und wurde durch die Entwicklung folgender Komponenten erreicht. (i) Ein neu konstruiertes Weißlicht-Blitz-System mit 100 μs Blitzdauer (Halbwertsbreite) und 70 J Blitzenergie liefert 2 Lichtblitze mit beliebigem zeitlichen Abstand. Die Blitze werden in Glasfasern eingekoppelt, (ii) Eine Lichtschnittoptik, bestehend aus einem strichförmigen Glasfasermodul, einer Zylinderlinse und 6 dichroitischen Filtern liefern 6 parallele, farbkodierte Lichtschnitte, (iii) Zwei 3-CCD Farbkameras, die auf fahrbaren Schlitten montiert sind, liefern Videobilder der Lichtschnittebenen aus zwei Betrachtungsrichtungen. Der kürzeste mit den verwendeten Kameras realisierbare zeitliche Abstand (dT) zwischen beiden PIV-Bildern zur Bestimmung der Geschwindigkeitsvektoren beträgt 50 jas. (iv) Ein maßgeschneidertes Aufnahme-, Farbtrennungs- und Gerätesteuerungs-Programm ermöglicht eine einfache Hardware-Kontrolle bei Kalibrierungen und Messungen. Das Programm führt überdies zur Farbkorrektur automatisch eine chromatische Entzerrung (Warping) der Videobilder durch, (v) Die entwickelte Software übergibt ihre Daten an ein kommerzielles Programm (TSI Insight 3G) zur DPIV-Analyse, und Softwareroutinen entwickelt unter TecPlot, erlauben die 3-dimensionale Darstellung und Quantifizierung von Geschwindigkeitsfeldern und der Wirbelstärke im Fluid-Volumen. Die Qualität der Farbtrennung wurde während der Laufzeit des Verlängerungsantrags validiert und erste Messungen zu Veränderungen der Strömungsbedingungen im simulierten Manövrierflug des Modelflügels durchgeführt. Diese Daten zeigen, dass transiente Veränderungen des Strömungsfelds durch Flügelschläge für Steuermanöver, das Strömungsfeld und daher die Flugkräfte in bis zu 4 nachfolgenden Schlagzyklen beeinflusst. Diese Ergebnisse zeigen somit erstmalig die Bedeutung vorausgehender Flügelschläge für die Produktion von aerodynamischen Kräften in Insekten.
