Die experimentelle Strömungsanalyse gehört neben der Theorie und der Numerik zu den klassischen Werkzeugen sowohl in der Forschung als auch in
der industriellen Praxis. Ziel eines Experiments ist dabei immer, sich ein Bild über das Strömungsfeld zu machen, um darüber z.B.
strömungsmechanische Zusammenhänge zu erkennen, strömungsphysikalische Modellvorstellungen zu überprüfen oder aber - im mehr
anwendungsorientierten Sinne - strömungstechnische Entwurfshypothesen im Versuch zu bestätigen. Die Vielzahl der hochmodernen Versuchsanlagen und
Experimentierfelder in Forschung und Praxis der Ingenieurwissenschaften, sei es in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Automobilindustrie, der Schiffs-
und Meerestechnik, der Verfahrenstechnik oder auch in der Biofluidmechanik und Fluidsystemtechnik - um einige wesentliche Beispiele zu nennen -
verdeutlichen die hohe wissenschaftliche und volkswirtschaftliche Relevanz dieses Arbeitsfeldes.
In den letzten Jahren konnte jedoch in der Strömungsforschung und teilweise auch in der industriellen Anwendung eine gewisse Schwerpunktverlagerung
von den Experimentellen Methoden hin zur Numerischen Simulation beobachtet werden. Der wesentliche Ursprung dieser Entwicklung liegt in der immensen
Leistungssteigerung heute verfügbarer Rechner und der damit erheblich gestiegenen Anwendungsbreite moderner Strömungssimulationsverfahren
(Computational Fluid Dynamics - CFD). Allerdings hat diese Entwicklung auch zweierlei deutlich werden lassen: Zum einen hat sich klar gezeigt, dass die
numerischen Werkzeuge in Bezug auf quantitative Ergebnisse, beispielsweise bei der Vorhersage von Strömungswiderständen, weit hinter den
Erwartungen zurückgeblieben sind und damit das Experiment auf absehbare Zeit nicht ersetzen können. Auf der anderen Seite hat diese Entwicklung
aber auch deutlich gemacht, dass nur sehr wenige experimentelle Methoden bereitstehen, die bezüglich ihrer komplexen Aussagekraft mit den numerischen
Verfahren noch Schritt halten können. Dieses gilt sowohl in Bezug auf die Bereitstellung vergleichbar räumlich hochaufgelöster
Datensätze, die zeitlich-räumliche Analyse von Strömungsfeldern oder auch die Abbildung komplexer turbulenter Transportgrößen.
Diese klar erkennbare Entwicklungslücke soll das Schwerpunktprogramm "Bildgebende Messverfahren für die Strömungsanalyse"
schließen, indem die Erforschung leistungsfähiger, bildgebender Messverfahren zur Analyse komplexer räumlicher Strömungsfelder gezielt
vorangetrieben werden soll.
Mit dem Programm soll die moderne Strömungsmesstechnik als eine anerkannte Schlüsseltechnologie vorangetrieben und auf ein neues und deutlich
erhöhtes Leistungsniveau gebracht werden. Dazu sollen Wissenschaftler aus den Bereichen Strömungsmechanik (einschließlich deren Anwender in
den Ingenieurwissenschaften), der Messphysik und insbesondere auch der Informatik (u.a. Digitale Bildverarbeitung) in dem Schwerpunktprogramm
zusammenarbeiten.
Im Vordergrund der Arbeiten sollen bildgebende Methoden zur Gewinnung flächenhafter bzw. räumlicher Messinformationen in stationären und
instationären Strömungen stehen. Der entscheidende Zugewinn wird hier perspektivisch darin liegen, dass die leistungsgesteigerten experimentellen
Werkzeuge zusammen mit der Numerik einen Zugang zu der mit heutigen Mitteln noch kaum erschlossenen Welt der instationären Strömungsmechanik
eröffnen helfen.
Das Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme (VIS) bearbeitet im Rahmen des Schwerpunktprogrammes gemeinsam mit dem
Institut für Aero- und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart das Teilprojekt
"Analyse und
Visualisierung von Strukturen in digitalen Strömungsgfeldern". Ziele dieses Teilprojektes sind die Strukturidentifikation, -extraktion, -verfolgung und
-quantifikation in Strömungsfeldern sowohl der Messtechnik als auch der numerischen Simulation. Die Institute VIS und IAG arbeiten dabei Hand in Hand:
Während am IAG Methoden zur Wirbelerkennung und -segmentierung entwickelt und prototypisch mit Hilfe von allgemeinen Werkzeugen wie TecPlot und Matlab
implementiert werden, werden am Institut VIS die gegebenen Algorithmen optimiert und – ggf. unter Ausnutzung der Fähigkeiten moderner
Graphikhardware – beschleunigt, um interaktives Arbeiten zu ermöglichen. Die entstandenen Implementierungen wiederum werden den Projektpartnern
zur Verfügung gestellt.
Im Rahmen des Projektes wurde ein 2D LIC Programm zur interaktiven Strömungsvisualisierung entwickelt. Das Programm kann
hier heruntergalden werden.
Im Rahmen des Projekts sind mehrere Publikationen entstanden, die über die
Publikationsliste des Instituts für Visualisierung und Interaktive Systeme abrufbar
sind.
DFG Schwerpunktpunktprogramm 1147
Tobias.Schafhitzel@informatik.uni-stuttgart.de
