Thermografie für die Strömungsanalyse
Strömungsvorgänge sind omnipräsent und spielen sowohl in Technik, Natur, bei Klima und Wetter als auch in der Medizin eine wichtige Rolle. Die Strömungsmechanik ist eine Grundvoraussetzung für das Leben auf der Erde.
Eine Methode, Strömungen zu beobachten und zu analysieren, ist die Thermografie. Durch sie werden charakteristische thermische Signaturen sichtbar, die durch unterschiedliche Wärmeübergangskoeffizienten hervorgerufen werden. Dabei können sowohl Richtung und Stärke, aber vor allem auch die Art der Strömung – turbulent oder laminar – ermittelt werden.
Strömungsmechaniken
Mithilfe der Thermografie können die Strömungseigenschaften verschiedener Fluide und Feststoffe sichtbar und auswertbar gemacht werden. Die Thermografie als berührungslose, flächenhafte und bildgebende Temperatur-Messmethode ist bestens geeignet, selbst kleinste strömungsinduzierte Temperaturgradienten von weniger als 15 mK zu erkennen, ohne das Strömungsverhalten zu beeinflussen.
Durch den Einsatz von Thermografiesystemen können vielfältige Strömungsmechaniken erfasst und analysiert werden:
Strömung von Fluiden in Form von Gasen,
z. B. Turbulenzforschungen, Aerodynamik, Detektion von Prozessgasen
Strömung von Fluiden in Form von Flüssigkeiten,
z. B. Frisch- und Abwasser, Öl oder Chemikalien, FlüsseUmweltrelevante Strömungen im Rahmen geologischer und klimatischer Forschungen,
z. B. Strömungsmechanik von Lavaströmungen, Gesteins- und Schneelawinen
Strömung in wärmetechnischen Anlagen und Systemen,
z. B. Detektion von Druckverlusten, Massenströmen und Wärmeübergängen
Flugzeugtragflächen im Windkanal: Aerodynamikforschung
Um die Effizienz und Leistung von Flugzeugen nachhaltig zu verbessern, beschäftigen sich zahlreiche Forschungsprojekte mit der stetigen Verbesserung der Aerodynamik. Dabei spielen neben dem Rumpf auch die Tragflächen eine entscheidende Rolle. Im Windkanal werden diese unter verschiedenen Szenarien getestet, mit dem Ziel, ihre Beschaffenheit dahingehend zu optimieren, Kraftstoffverbrauch sowie Auswirkungen von Turbulenzen zu reduzieren.
Da die Thermografie eine berührungslose Mess- und Prüfmethode ist, kann das Luftstromverhalten im Windkanal mithilfe von Thermografiesystemen ohne Beeinflussung der Strömungsvorgänge visualisiert werden. Die Messung basiert auf dem Temperaturunterschied zwischen Messobjekt und Strömungsmedium. Bereiche mit unterschiedlichen Strömungszuständen aufgrund von Oberflächenreibungen und damit einhergehende Wärmeübergänge lassen sich dabei thermografisch voneinander abgrenzen.
Weiterhin können mithilfe von Wärmebildkameras großflächig Daten in Echtzeit erfasst und via Software ausgewertet werden. Die Software bietet u. a. den Vorteil, dass sie im Windkanal auftretende Vibrationen ausgleichen kann und so aussagekräftige Bilddaten liefert. Die Steuerung der Kamera ist über große Entfernungen möglich.
Fluggeräte und Kraftfahrzeuge im Windkanal: aerodynamische Simulationen
Auch in der Automobil- und der Luftfahrtindustrie wird auf die Vorteile eines Windkanals zurückgegriffen. Der Weg zu leistungsfähigeren und sparsameren Fahrzeugen führt über die aerodynamische Optimierung. Diese kann über die Form und das Design des Fahrzeuges, aber auch über die Gewichtsverteilung erfolgen.
Wärmebildkameras identifizieren während des Tests im Windkanal sowohl laminare als auch turbulente Strömungen und erlauben Rückschlüsse auf die Aerodynamik des Fahr- bzw. Flugzeuges. Mit diesen Erkenntnissen können Kraftfahrzeug und Flugzeug in ihrer Ausführung so optimiert werden, dass die Luftströmung in die richtigen Bereiche gelenkt und die Wirbelbildung so gesteuert wird, dass sich der Luftwiderstand reduziert.
Thermografie im Einsatz für Geo- und Klimaforschung
Im Rahmen von Umwelt- und geologischen Studien ermöglicht die Thermografie u. a. die großflächige Analyse natürlicher oder urbaner Mikroklimate und erlaubt dadurch Rückschlüsse auf lokale Gegebenheiten. Dabei werden neben Flüssigkeitsströmungen auch Luft- und Feststoffströmungen betrachtet.
So können mithilfe der Thermografie beispielsweise Verhaltensmuster von Schneelawinen analysiert werden. Dies trägt dazu bei, die Dynamik von Lawinenbewegungen besser zu verstehen und Vorsorgemaßnahmen zu treffen, z. B. die gezielte Errichtung von Lawinenschutzdämmen und -netzen. Ähnlich verhält es sich mit Gesteinslawinen. Die thermografische Aufzeichnung von Gesteinslawinen in Echtzeit ermöglicht es Forschern, deren Verhalten unter verschiedenen Bedingungen und Temperaturen zu studieren. Eine langfristige Thermografie-Überwachung kann dazu beitragen, Veränderungen in der Aktivität von Gesteinslawinen im Laufe der Zeit zu verfolgen und Trends zu identifizieren.
Im Rahmen von Arbeiten an und in Flüssen (Brücken, Schleusen, Fischtreppen etc.) können Thermografiedaten aussagekräftige Informationen zu Strömungsmustern liefern, indem Thermografiekamera und -software Wirbel oder Strömungsabgrenzungen sichtbar machen. Dies geschieht durch die Erfassung von Temperatur- oder Emissionsgradunterschieden zwischen verschiedenen Schichten und Strömungen.
Temperaturänderung eines Gletschers
Thermografie zur Überwachung wärmetechnischer Anlagen und Systeme
Der Einsatz von Thermografiesystemen zur Überwachung wärmetechnischer Anlagen und Systeme unterstützt das frühzeitige Erkennen von Unregelmäßigkeiten, bevor diese zu Ausfällen oder Sicherheitsrisiken führen.
So ermöglicht die Thermografie die Untersuchung der Wärmeübertragung in einer Flüssigkeit, relevant z. B. bei der Kühlung von elektronischen Komponenten, der Analyse von Wärmetauschern oder der Optimierung von Heizsystemen. Mögliche Druckverluste, Massenströme und Wärmeübergänge in komplexen strömungstechnischen und wärmetechnischen Systemen können dadurch frühzeitig identifiziert werden. Störende geometrische Einflüsse auf den strömungsbedingten Wärmeaustausch können anschließend behoben werden, z. B. in Kühlsystemen, die auf Konvektion basieren.
Störfaktoren an Windkraftanlagen zuverlässig identifizieren
Der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage (WKA) beeinflusst den Energieertrag (AEP – Annual Energy Production) und damit den Gewinn des Betreibers. Dank jahrzehntelanger Aerodynamik‐Forschung sind die Rotorblätter moderner Windkraftanlagen bereits stark optimiert. Ziel ist ein möglichst großer und kontrollierter Anteil laminarer Strömung an den Grenzflächen zwischen Rotorblatt und anströmendem Wind, da turbulente Strömung den Wirkungsgrad verringert. Diese entsteht z. B. durch die Verschmutzung oder Erosion der Rotorblätter, aber auch durch Schäden an aerodynamischen Hilfsmitteln (Grenzschichtzäune, Vortex-Generatoren usw.).
Die Thermografie ist eine zuverlässige Methode zur Erkennung aerodynamischer Störfaktoren, ohne dabei die Windkraftanlage außer Betrieb zu nehmen und invasive Hilfsmittel anzubringen. Sie bietet die Möglichkeit, Mängel aus mehreren hundert Metern Entfernung an den Rotoren laufender WKA zu detektieren, um danach wirksame Schritte zu deren Behebung einleiten zu können.
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Einsatzmöglichkeiten der Thermografie bei Windenergieanlagen
„Thermographie zur Inspektion von Rotorblättern“, Dipl.-Phys. Peter Meinlschmidt, Fraunhofer WKI Braunschweig
„Thermografische Strömungsvisualisierung an Windenergieanlagen“, Dipl.-Ing. Felix Oehme, Universität Bremen/BIMAQ
Überwachung von Windkraftanlagen durch (passive) Thermografie
Prinzip und Methoden der aktiven Thermografie und Beispiele
Flow Analysis Using Thermal Imaging (Sprache: Englisch)
General information about infrared thermography
Presentation of different infrared camera techniques
Presentation of different flow types and how to measure them with thermography
Demonstration of different application possibilities, e.g.: aerodynamic optimisation, heat management industry, environmental research, geological research
