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Experiment der Woche

Das Experiment der Woche wird im Rahmen der Öffentlichkeitsarbeit der Leibniz Universität Hannover durchgeführt. Unter diesem Motto wird in 52 Kurzfilmen, die wöchentlich auf der Internetpräsenz der LUH ins Netz gestellt werden, die Vielfalt der Forschungsaktivitäten am Standort Hannover präsentiert.

Auch am Franzius-Institut wurde ein Kurzfilm gedreht, welcher den Bereich Küsten- bzw. Offshore-Ingenieurwesen beschreibt und sich mit der Messung von Strömungsgeschwindigkeiten an einer Gründungsstruktur einer Offshore-Windenergieanlage (OWEA) mit Hilfe des dreidimensionalen Particle Image Velocimetry (PIV) Systems befasst.

Im Folgenden werden tiefergehende Erläuterungen zu den Informationen aus dem Video-Clip gegeben.

 

Experiment der Woche

Bewegtes Wasser - Kann man Strömungen sichtbar machen?

Quelle: Erneuerbare Energien in Zahlen (BMU 2010)

Woher kommt unser elektrischer Strom?

Sascha beginnt seine Moderation mit der Information, dass er fast jede 10. Tasse Kaffee mit elektrischem Strom aus Windenergie kocht und in Zukunft sogar jede 8. Tasse Kaffee damit kochen kann.

Fakt ist, dass im Jahr 2009 laut Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) der Beitrag der Windenergie zur Energiebereitstellung mit 37.809 GWh bei rund 6,5% lag. Unsere Bundesregierung plant bekanntlich einen weiteren Ausbau.

Sascha liegt ganz richtig mit seiner Information, dass die Energiebereitstellung aus Windenergie auf dem Land Probleme mit sich bringt, wie etwa ungleichmäßige Windverhältnisse oder Geräuschemissionen und störende Lichteffekte, wenn die Sonne durch die sich drehenden Rotorblätter scheint. Trotzdem wurden im Jahr 2009 erst 37 GWh durch Offshore-Windenergie gewonnen.

 

Definition Trochoidenwellen (Gerstner)

 Strömungsverhältnisse unter einer Welle

Vereinfacht kann gesagt werden, dass sich die einzelnen Wasserteilchen einer Welle auf einer Kreisbahn - der so genannten Orbitalbahn - bewegen. Diese Kreisbewegung erklärt auch, warum eine Wellen Energie, aber keine Masse transportiert. Der Bewegungsimpuls des Wasserteilchens wird an die Nachbarteilchen weitergegeben, es selber bewegt sich aber weiterhin an einem begrenzten Ort auf eben dieser Orbitalbahn (Animation).

Um diese Orbitalbahnen für uns sichtbar zu machen streut Sascha Granulat - Tracerteilchen, die wir mit dem Auge verfolgen können - in das Wasser im Bereich des Zylinders. An diesen lassen sich die Orbitalbahnen der Teilchen sehr schön erkennen.

Um nun genaue Messungen durchzuführen müssen viel kleinere Tracerteilchen in das Wasser gegeben werden, denn je kleiner die Teilchen werden, desto genauer folgen diese auch den Stromlinien der Wasserteilchen. Messen lassen sich die Bewegungen dieser kleinen Teilchen dann nur noch mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und der Hilfe eines Lasers, der nur einen bestimmten Teil des Wasserkörpers anstahlt und somit für die Kamera sichtbar macht - das PIV-System.

 

Funktionsweise eines Stereoskopischen PIV-Systems

Strömungsmessung mit dem PIV-System

PIV ist die Abkürzung für Particle Image Velocimetry und ist nichts anderes als ein berührungsloses optisches Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in einem Strömungsfeld - genau das, was wir hier messen möchten.

Wie schon gesagt, nimmt eine Hochgeschwindigkeitskamera die Bewegung der Wasserteilchen, die durch den Laser nur in einer definierten Schnittebene beleuchtet werden, auf. Durch den zeitlichen Abstand zwischen den einzelnen Bildern und dem Weg, den die einzelnen Teilchen von Bild 1 zu Bild 2 zurückgelegt haben, lassen sich die Geschwindigkeiten der Teilchen in der Schnittebene ermitteln.

Ein Sereoskopisches-PIV-System, wie es hier zum Einsatz kommt, hat zwei Kameras, die in unterschiedlichen Winkeln auf die Schnittebene gerichtet sind und somit auch eine räumliche Aufzeichnung der Teilchenbewegung ermöglichen.

Weitere Informationen zum Stereoskopischen 3D-Unterwasser-PIV findet ihr hier.

 

Impressionen vom Clip-Dreh

 

Besprechung des Drehbuches
Aufzeichung im Ü-Wagen
Sascha bei der Probe
Kameramann im Wellenkanal
Dreh im Wellenkanal
Aufzeichnung im Ü-Wagen

 

Weitere Clips zum Experiment der Woche

Weitere Clips zum Experiment der Woche der Leibniz Universität findet ihr hier.