D11 Teilchenbildgeschwindigkeitsmessung PIV

Thema

Die Flüssigkeit um den Flügel eines Insekts im Flug bewegt sich auf für das Auge unsichtbare Weise. Die Partikelbild-Velocimetrie (PIV) gilt als Goldstandard, um diese Bewegung sichtbar zu machen: Sie misst das gesamte Geschwindigkeitsfeld der Luft um den Flügel.

Um diese unsichtbare Flüssigkeitsbewegung zu erfassen, werden zunächst Tracerpartikel – winzige, hohle Glasmikrokügelchen oder Tröpfchen zerstäubten Olivenöls – hinzugefügt. Diese Partikel sind so klein und leicht, dass sie jede Bewegung der Flüssigkeit präzise verfolgen, ohne sie zu stören oder zu verzögern. Sobald die Flüssigkeit mit diesen Partikeln versetzt ist, beleuchtet ein gepulster Laser eine Ebene im Raum zu zwei sehr kurzen Zeitpunkten. Eine Kamera erfasst die exakte Position jedes Tracerpartikels in dieser Ebene zu jedem dieser beiden Zeitpunkte. So entstehen zwei nahezu identische Aufnahmen derselben Partikelgruppe, die in kürzester Zeit aufgenommen wurden.

Durch den Vergleich dieser beiden Aufnahmen der Partikel teilt eine Technik namens Kreuzkorrelation die beleuchtete Ebene in kleine, sich überlappende Bereiche auf. Für jedes dieser Zeitfenster wird die wahrscheinlichste Verschiebung der Tracerpartikel zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt ermittelt. Diese Verschiebung, dividiert durch das kurze Zeitintervall, ergibt einen lokalen Strömungsgeschwindigkeitsvektor für diesen Teilbereich der Ebene.

Die Wiederholung dieses Vergleichs für alle Fragezeichen der beleuchteten Ebene erzeugt ein vollständiges Vektorfeld, das die Strömungsgeschwindigkeit an jedem Punkt dieser Ebene beschreibt und somit auf einen Schlag offenbart, wie die Luft im erfassten Moment um den Insektenflügel strömt.

Aus diesem vollständigen Vektorfeld lässt sich die Wirbelstärke des Fluids an jedem Punkt mittels numerischer Differentiation berechnen – also wie stark und in welche Richtung sich das Fluid lokal um diesen Punkt dreht. Mithilfe dieser Wirbelstärke können wir die Wirbel identifizieren, die sich um den Insektenflügel bilden, einschließlich des Vorderkantenwirbels, einer konzentrierten Wirbelstruktur, die sich direkt über der Vorderkante des Flügels bildet und entscheidend für den Auftrieb des Insekts ist.

Ein Zirkulationsintegral quantifiziert die Intensität jedes einzelnen dieser Wirbel. Mithilfe dieser Intensität und der Wirbelimpulsmethode lässt sich die gesamte aerodynamische Kraft abschätzen, die der Insektenflügel im Flug erzeugt, ohne dass eine mechanische Waage direkt am Insekt angebracht werden muss. Dies ist besonders wertvoll, da das Insekt so klein ist: Jeder direkt angebrachte Sensor würde seinen natürlichen Flug stören, wohingegen die mit Partikeln versetzte und mit Laser und Kamera beobachtete Flüssigkeit dieselbe aerodynamische Kraft offenbart, ohne das Insekt zu berühren.

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