iTech4STB

Innovative Techniken für Shake-the-Box und Datenassimilation

Weiterentwicklung führender volumetrischer 3D-Strömungsmesstechnik für instationäre Aerodynamik, Turbulenzforschung und Aeroelastik

Das Verbundvorhaben iTech4STB adressiert die Weiterentwicklung fortschrittlicher volumetrischer Strömungsmesstechniken für komplexe aerodynamische Fragestellungen der zukünftigen Luftfahrtforschung. Im Mittelpunkt stehen die gemeinsame Weiterentwicklung der vom DLR (AS-EXV) und LaVision patentierten optischen 3D Lagrangian Particle Tracking Methode „Shake-the-Box“ (STB) sowie die Erweiterung moderner Datenassimilationsverfahren (DA) zur Interpolation kontinuierlichen dreidimensionaler Geschwindigkeits- und Druckfelder mit hoher zeitlicher Auflösung.

3D Lagrangian Particle Tracking (LPT) ermöglicht die experimentelle Charakterisierung instationärer und turbulenter Strömungen im Lagrangeschen und Eulerschen Bezugssystem mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung und soll zukünftig ergänzend zum etablierten Stereo-PIV-Verfahren verstärkt in aerodynamischen Experimenten eingesetzt werden.

Die vom DLR und LaVision entwickelte und patentierte Shake-the-Box-Technologie wurde seit ihrer Einführung im Jahr 2013 kontinuierlich weiterentwickelt, mit der multi-pulse STB Technik auch für hohe Strömungsgeschwindigkeiten angepasst und ermöglicht die zuverlässige und äußerst effiziente Rekonstruktion volumetrischer Partikeltrajektorien aus wenigen Kameraprojektionen in bisher nicht erreichter Anzahl und Genauigkeit.

Dadurch zählt STB heute zu den weltweit führenden Verfahren im Bereich der partikelbasierten volumetrischen 3D-Strömungsmesstechnik.

Wissenschaftlicher Hintergrund

3D Lagrangian Particle Tracking und Shake-the-Box

Shake-the-Box ist der derzeitige Stand der Technik für zeitaufgelöstes 3D Lagrangian Particle Tracking mit höchster Genauigkeit auch bei hohen Partikeldichten. Verglichen mit der alternativen voxel-basierten Tomo-PIV Methode ist Shake-the-Box ein reines Particle Tracking Verfahren, das eine iterative Rekonstruktion einzelner Partikel mit einem zeitbasierten Tracking Algorithmus verknüpft. Für zeitaufgelöste Messungen erreicht Shake-the-Box eine höhere Genauigkeit bei der Rekonstruktion mit schnelleren Auswertezeiten gegenüber der zeitaufgelösten Tomo-PIV Technik.

Die aus einem Shake-the-Box Experiment vermessenen Partikeltrajektorien können durch anschließende zeitliche Ableitungen von optimalen Filterfunktionen genutzt werden, um Lagrange‘sche Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren zu berechnen.

Diese hochaufgelösten Lagrangeschen Informationen bilden eine zentrale Grundlage moderner Datenassimilationsverfahren und eröffnen neue Möglichkeiten zur experimentellen Untersuchung komplexer turbulenter und hochinstationärer Strömungsphänomene.

Die Shake-the-Box-Technologie ermöglicht:

• experimentelle Charakterisierung komplexer Strömungsphänomene im Lagrangeschen und Eulerschen Bezugssystem
• Rekonstruktion volumetrischer Partikeltrajektorien in bisher nicht erreichter Anzahl und Genauigkeit
• hohe räumliche und zeitliche Auflösung
• robuste Rekonstruktionen mit wenigen Kameraprojektionen
• Untersuchungen instationärer und turbulenter Strömungen
• Multi-pulse STB auch für hohe Strömungsgeschwindigkeiten geeignet

Datenassimilation und volumetrische Strömungsrekonstruktion

Von Partikeltrajektorien zu kontinuierlichen 3D Geschwindigkeits- und Druckfeldern

Die aus STB-Messungen gewonnenen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren eignen sich insbesondere als Eingangsdaten für moderne Datenassimilationsverfahren wie:

• physikalisch eingeschränkte nicht-lineare Optimierungen
• neuronale Netze

Diese Verfahren ermöglichen sowohl die Interpolation kontinuierlicher und zeitaufgelöster volumetrischer 3D Geschwindigkeitsfelder als auch die Gewinnung des dreidimensionalen Druckfeldes. Dadurch kann die eingesetzte optische Messtechnik ein nahezu vollständiges Bild inkompressibler Strömungen in Niedergeschwindigkeitswindkanälen wiedergeben.

Wissenschaftliche und technologische Relevanz

Das Vorhaben schafft neue experimentelle Werkzeuge für die zukünftige Luftfahrtforschung und ermöglicht die Untersuchung komplexer instationärer und turbulenter aerodynamischer Phänomene, wie sie insbesondere bei:

• hybrid-elektrischen Flugzeugen
• High-Aspect-Ratio-Wings
• Multikoptern
• neuen Antriebskonzepten
• aeroelastischen Flugzeugstrukturen

auftreten.

Die Arbeiten leisten einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung:

• volumetrischer Strömungsmesstechnik
• Datenassimilation
• experimenteller Aerodynamik
• aeroelastischer Untersuchungen
• Turbulenzforschung
• CFD-Validierung
• skalenauflösender Simulationen

Darüber hinaus sollen die fortschrittliche optische Messtechnik STB sowie das integrierte Datenassimilationsverfahren für industrielle Windkanaltests weiterentwickelt werden und dadurch neue Anwendungen im Bereich zukünftiger Flugzeugkonzepte und instationärer Aerodynamik ermöglichen.

Weiterentwicklung bestehender STB- und DA-Konzepte

Im Rahmen des Vorhabens sollen aufbauend auf den bisherigen Entwicklungen im Bereich Shake-the-Box und Datenassimilation neue Entwicklungen der Konzepte und Teilalgorithmen des gesamten STB-Pakets erzielt werden.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf:

• einer weiteren Entwicklungsstufe der Datenassimilation
• der Verbesserung volumetrischer Rekonstruktionsverfahren
• der Erweiterung zeitaufgelöster Strömungsfeldrekonstruktionen
• der Robustheit bei hohen Partikeldichten
• der Skalierbarkeit für industrielle Windkanalanwendungen
• der Kopplung experimenteller Daten mit modernen Simulationsverfahren

Dadurch werden neue Möglichkeiten zur experimentellen Untersuchung komplexer Strömungsphänomene sowie zur Validierung moderner numerischer Methoden geschaffen.

Beispiel volumetrischer Messergebnisse

Volumetrische Messergebnisse des durch einen Quadcopter induzierten Strömungsfeldes im freien Flugversuch:

• Rekonstruierte Partikeltrajektorien mittels Shake-the-Box
• Abgeleitetes Strömungsfeld mit dem Datenassimilationsverfahren FlowFit
• Dreidimensionale und instationäre Druckverteilung im Messvolumen

Volumetrische Messergebnisse des durch ein Quadcopter induzierten Strömungsfeldes im freien Flugversuch. Links: Rekonstruierte Partikeltrajektorien mittels Shake-The-Box; Mitte: Abgeleitetes Strömungsfeld mit dem Datenassimilationsverfahren FlowFit; Rechts: Dreidimensionale und instationäre Druckverteilung im Messvolumen. 

Datenquelle:
DLR Göttingen, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik

Projektpartner

LaVision (Verbundführer)

LaVision ist spezialisiert auf die Entwicklung komplexer optischer Messsysteme für die Strömungsforschung und zählt international zu den führenden Unternehmen im Bereich volumetrischer Strömungsmesstechnik.
Kernprodukte sind Systeme zur Erfassung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluiden durch:

• Particle Image Velocimetry (PIV)
• Particle Tracking Velocimetry
• Lagrangian Particle Tracking (LPT)

LaVision ist dabei nicht nur Systemintegrator, sondern trägt durch zahlreiche Eigenentwicklungen maßgeblich zum Fortschritt des Standes der Technik bei.
Insbesondere im Bereich PIV und LPT wurden zahlreiche Algorithmen entwickelt, publiziert und patentiert, die den Einsatz der Techniken im industriellen Umfeld ermöglichen, darunter:

• Uncertainty Quantification
• Planar Volume Self-Calibration
• Iterative Particle Reconstruction
• Object-aware Shake-The-Box
• VIC#

Neben der Softwareentwicklung verfügt LaVision über langjährige Erfahrung in der Entwicklung spezialisierter Hardware für großskalige volumetrische Strömungsmessungen, darunter:

• Helium-filled-soap-bubble Systeme
• LED-Beleuchtungssysteme für großskalige Messungen
• integrierte Mehrkamera-Messköpfe für einen vereinfachten Einsatz der volumetrische Messverfahren

Durch die Teilnahme an früheren Forschungsprojekten besteht eine etablierte Infrastruktur zur erfolgreichen Durchführung komplexer Forschungs- und Entwicklungsprojekte.

Hervorzuheben ist die Mitwirkung an europäischen Forschungsprojekten wie:

• NIOPLEX
  (Implementierung von Drucklösern aus PIV-Daten)
• HOMER
  (Entwicklung 4D-VIC#, Uncertainty Quantification adaptive Filter)
• NIFTI
  (Entwicklung miniaturisierter Lichtschnittoptiken, Autofokus- und Scheimpflug-Systeme, Remotebetrieb von Messsystemen in industriellen Windkanälen sowie kompressibler Drucklöser)

Im Rahmen des Projekts iTech4STB übernimmt LaVision als Verbundführer die Weiterentwicklung des FlowMaster Messsystems für aeroelastische und fluid-strukturgekoppelte Messaufgaben.

DLR Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Abteilung Experimentelle Verfahren

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist die nationale Forschungseinrichtung für Luft- und Raumfahrt, Energietechnik und Verkehr sowie die Raumfahrtbehörde Deutschlands.
Mit rund 10.000 Mitarbeitenden in 40 Instituten und Einrichtungen betreibt das DLR Grundlagenforschung und angewandte Forschung und unterstützt technologische Entwicklungen der Industrie.
Das DLR strebt eine enge Zusammenarbeit mit nationalen und europäischen Partnern an, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen und europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie zu sichern.
Das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik beschäftigt sich mit:

• Aerodynamik von Flugzeugen und Raumfahrzeugen
• flugzeugbezogener Akustik
• Strömungsdynamik
• experimentellen und numerischen Methoden der Strömungsmechanik
• aerodynamischer Analyse und Validierung

Die beteiligte Forschungsgruppe verfügt über umfangreiche Erfahrung und Expertise in:

• volumetrischen Strömungsfeldmessungen
• Oberflächenverformungsmessungen
• Datenvalidierungsverfahren
• experimenteller CFD-Validierung
• aeroelastischen Untersuchungen

Darüber hinaus bringt die Gruppe umfangreiche Erkenntnisse aus dem EU-Projekt HOMER ein, insbesondere im Bereich:

• Strömungsfeldmessungen
• Oberflächenverformungsmessungen
• Datenvalidierungsverfahren
• volumetrischer Messtechnik

Gemeinsam mit LaVision zählt die Forschungsgruppe zu den international führenden Entwicklern und Anwendern der Shake-The-Box-Technologie.

Weitere Informationen:
DLR – Abteilung Experimentelle Verfahren

Einzelvorhaben LaVision

Das gesamtheitliche Ziel des Einzelvorhabens besteht in der Weiterentwicklung des LaVision Messsystems FlowMaster für den spezifischen Applikationsbereich der Fluid-Struktur-Kopplung aeroelastischer Messaufgaben in der Luftfahrtforschung.
Ziel ist die Entwicklung einer technisch einzigartigen Messsystemlösung, die langfristig im Markt positioniert werden kann.
Ein zentraler Schwerpunkt liegt auf der algorithmischen Weiterentwicklung der Datenauswertung innerhalb der LaVision Softwareplattform DaVis, um simultan:

• volumetrische Strömungsfelder
• Windkanalmodelldeformationen
• aeroelastische Messgrößen

vermessen und auswerten zu können.
Dadurch wird der Zugriff auf relevante aeroelastische Messgrößen in gekoppelten Strömungs-Struktur-Untersuchungen ermöglicht.
Zusätzlich soll das Messsystem hardwareseitig weiterentwickelt werden, insbesondere hinsichtlich:

• flexibler Handhabung von Helium-filled-soap-bubbles (HFSB)
• flexibler Bildaufnahmestrategien
• intelligenter Ansteuerung der Beleuchtungseinheiten
• großskaliger volumetrischer Strömungsvisualisierung

Die Entwicklungen schaffen die Grundlage für zukünftige integrierte volumetrische Messsysteme in komplexen aerodynamischen Forschungs- und Windkanalanwendungen.

Projektlaufzeit

04/2026 – 03/2029

Förderung

Das Vorhaben iTech4STB wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms LuFo VII-1 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
Weitere Informationen zum Luftfahrtforschungsprogramm:
Luftfahrtforschungsprogramm LuFo VII-1