Temperaturfeldberechnung aus einer Particle Image Velocimetry (PIV)-Messung einer natürlichen Auftriebsströmung

Der Beitrag stellt ein Rechenverfahren vor, mit dem auf Basis einer laseroptischen Messmethode Temperaturfeldinformationen in Fluiden ermittelt und Wärmeübergangskoeffizienten berechnet werden können. Grundlage für die Lösung der Energietransportgleichung stellen Geschwindigkeitsfelder dar, die mittels stereoskopischer Particle Image Velocimetry (PIV)-Messungen erhalten werden. PIV ist eine laseroptische Messmethode zur Erfassung von Geschwindigkeitsfeldern. Da kein intrusiver Sensor nötig ist, können Strömungen ohne Beeinflussungen vermessen werden. Eine stereoskopische PIV-Messung erzeugt Rasterinformationen zu allen drei Geschwindigkeitskomponenten in einer Ebene der Strömung. Die Temperaturverteilung an den Rändern des Messgebiets wird durch punktuelle Messung (Temperaturdioden) und flächenhafte Messung (Infrarotkamera) ermittelt. Anhand der Strömungscharakteristika wird der Energietransport vom Rand aus durch das Messgebiet berechnet. Die Energiegleichung der Navier-Stokes-Gleichungen der Strömungsmechanik stellt hierbei die physikalische Grundlage für den Energietransport durch das Fluid dar. Ihre Lösung mittels eines numerischen Modells ergibt die Temperaturverteilung im Messgebiet. Das Verfahren wird am Beispiel der Bestimmung von konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten bzgl. der freien instationären Eigenkonvektionsströmung eines Menschen demonstriert. Das Verfahren ist vielversprechend, da zeitlich und räumlich hochaufgelöste Temperaturfeldinformationen erhalten werden und in Raumluftströmungen laserinduzierte Fluoreszenzmethoden (LIF) auf Grund gesundheitsbedenklicher Tracergase bzw. toxischer Partikel nicht eingesetzt werden können.