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Digitale Shadowgraphie misst Schneeverfrachtung

 

Im Windkanal des SLF wird mit der digitalen Shadowgraphie eine neue bildgebende Technik eingesetzt. Damit untersuchen die Forschenden, wie sich Schneekörner in Luftturbulenzen verhalten.

Das System ermöglicht, mit hoher Frequenz und in hoher Auflösung Informationen zur Geschwindigkeit, zur Grösse und zum Massenstrom von Schneepartikeln in der Luft zu erfassen. Dadurch gewinnen die Forschenden bessere Kenntnisse über die physikalischen Vorgänge bei der Schneeverfrachtung

Das Messsystem

Das Verfahren besteht darin, die sich bewegenden Schneekristalle von einer Seite des Tunnels aus zu beleuchten und auf der anderen Seite mit hoher Frequenz Bilder von ihnen zu machen. Die so erstellten Bilder enthalten kleine dunkle Flecken, die jeweils ein Schneepartikel darstellen, das zum Zeitpunkt der Aufnahme durch das Sichtfeld fliegt.

 

Die Grösse der Partikel ermittelt man durch einfache Bildanalyse, während ihre Bewegung über die Zeit mithilfe eines Particle-Tracking-Velocimetry-Algorithmus berechnet wird. Anhand von Partikelgrösse und -geschwindigkeit lässt sich letztlich der Massenstrom schätzen. Durch die Nachbearbeitung aller aufgenommenen Bilder lassen sich einerseits die räumlichen (z. B. vertikale Profile des Massenstroms) und zeitlichen Eigenschaften (z. B. Zeitreihen des Massenstroms) des Verfrachtungsprozesses bestimmen, andererseits, wie Partikelgrössen und -geschwindigkeit statistisch verteilt sind

Das Shadowgraphie-System besteht aus einem 90-W-LED-Scheinwerfer als Lichtquelle und einer High-Speed-CMOS-Kamera mit einer räumlichen Auflösung von etwa 1 MP und einer Aufnahmefrequenz von bis zu 3,6 kHz. Die Messebene wird vor jedem Versuch in der Mitte des Versuchsbereichs über der Schneedecke ausgerichtet, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Digitale Shadowgraphie hat gegenüber den verbreiteteren Punktsensoren folgende Vorteile:

  • die Verfügbarkeit von Informationen über einen zweidimensionalen Bereich, was das Erfassen von Profilen ermöglicht, ohne die Versuche mehrfach in vertikaler Richtung zu wiederholen;
  • die Fähigkeit, auch vertikale Komponenten des Massenstroms zu erfassen, was hilfreiche Informationen im Hinblick auf das Mitreissen von Schneepartikeln liefern kann;
  • die Möglichkeit, nicht nur die Grösse, sondern auch die Form der Partikel zu erkennen;
  • die Möglichkeit, den Versuch mit hoher Frequenz durchzuführen.

Da eine High-Speed-Kamera benötigt wird und Lichtquelle sowie Kamera präzis kalibriert werden müssen, ist es derzeit allerdings nicht einfach, dieses Verfahren im Feld einzusetzen.

Jüngste Entwicklungen

Die Forschenden verglichen die Ergebnisse der digitalen Shadowgraphie mit denjenigen des Schneepartikelzählers, um zu bestimmen, wie zuverlässig die Shadowgraphie-Technik in einem typischen Schneeverfrachtungsversuch ist. Dabei zeigte sich, dass sich die zwei Messverfahren recht gut entsprechen. Des Weiteren zeigt die Studie optimale Einstellungen für die Nachbearbeitung von typischen Schneeverfrachtungsexperimenten auf.

Details zum Projekt

Projektdauer

2013 - 2017

Projektleitung

Dr. Enrico Paterna

 

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