Die genaue Messung des Windflusses beginnt häufig mit Punktmessungen, doch um zu verstehen, wie sich der Fluss im Raum verhält, ist ein anderer Ansatz erforderlich.
Mit einer 5-Loch-Drucksonde können sowohl Windgeschwindigkeit als auch Windrichtung erfasst werden. In Kombination mit Positionsüberwachung und Echtzeitvisualisierung lassen sich diese Messungen zu einem vollständigen Strömungsfeld zusammenfügen.
Dieser Artikel erklärt anhand der WindProbe 3D als praktisches Beispiel, wie eine 5-Loch-Sonde zur Messung des Windflusses und zur Erstellung von Strömungsfeldern verwendet wird.
Abbildung 1: WindProbe 3D kartiert das Strömungsfeld um einen UAV-Propeller
Inhaltsverzeichnis
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Was ist Windflusskartierung
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Wie Mehrloch-Drucksonden funktionieren
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Windflussmesssystem: WindProbe 3D
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Tipps für Strömungskarten höherer Qualität
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Andere Windflussmesssysteme
Was ist Windflusskartierung
Bei der Messung des Windflusses bezeichnet die Kartierung des Strömungsfeldes die Erfassung von Windgeschwindigkeit und -richtung in einem räumlichen Bereich mithilfe eines Sensors wie einer 5-Loch-Drucksonde. Anstatt isolierte Punktmessungen zu erfassen, besteht das Ziel darin, zu rekonstruieren, wie sich der Fluss räumlich verhält, entweder in einer Ebene oder in einem 3D-Volumen.
Dieser Ansatz wird häufig verwendet, um:
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Nachläufe und Strömungswechselwirkungen zu charakterisieren
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Experimentelle Daten mit CFD-Ergebnissen zu vergleichen
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Die Verteilung von Windgeschwindigkeit und -richtung zu messen
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Das Strömungsverhalten um ein aerodynamisches Objekt zu identifizieren
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Abbildung 2: Benutzeroberfläche zur Windflusskartierung in der WindVision-Software
Wie Mehrloch-Drucksonden funktionieren
Eine Mehrloch-Drucksonde misst den Druck an mehreren Öffnungen, die um die Sondenspitze angeordnet sind. Aus diesen Druckwerten können die lokale Strömungsgeschwindigkeit und -richtung bestimmt werden, wodurch an jedem Messpunkt ein vollständiger Geschwindigkeitsvektor ermittelt wird.
Mehrloch-Sonden eignen sich gut zur Messung des Windflusses, weil sie:
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Sowohl Windgeschwindigkeit als auch Strömungsrichtung messen
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Keine perfekte Ausrichtung zwischen Sondenspitze und Strömungsrichtung erfordern
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Eine kompakte Lösung zur Messung von Strömungen um Objekte bieten
In Kombination mit einer Positionsüberwachung kann jede Messung mit einer 5-Loch-Sonde präzise verfolgt werden, was Folgendes ermöglicht:
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Einfaches Neupositionieren während des Scans
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Dichte räumliche Abtastung ohne mechanische Traversen
Windflussmesssystem: WindProbe 3D
WindProbe 3D ist ein System zur Messung und Visualisierung des Windflusses, das auf vier koordinierten Elementen basiert:
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5-Loch-Drucksonde: Misst Druck, Geschwindigkeit und Strömungsrichtung
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Bewegungserfassungssystem: Verfolgt die Position und Ausrichtung der Sonde im 3D-Raum
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WindShaper-Windwand: Ein modulares Array aus einzeln gesteuerten Ventilatoren, das wiederholbare und programmierbare Windströme erzeugt
- WindVision-Software: Synchronisiert diese Datenströme und zeigt den resultierenden Windfluss in Echtzeit als 3D-Strömungsfeld an.
Messungen können für spätere Analysen aufgezeichnet, für die Nachbearbeitung exportiert oder direkt mit CFD-Daten verglichen werden.
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Abbildung 5: Bewegungserfassungskamerasystem
Hochlevel-Workflow
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Stellen Sie die gewünschten Windbedingungen mithilfe der WindShaper-Windwand ein.
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Überprüfen Sie, ob die 5-Loch-Sonde und das Bewegungserfassungssystem verbunden sind.
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Nullen Sie die Sonde vor der Datenerfassung.
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Definieren Sie das Messvolumen und die Voxelauflösung.
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Bewegen Sie die Sonde durch den Bereich von Interesse, um Daten zu sammeln.
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Überprüfen Sie die Abdeckung und scannen Sie Bereiche bei Bedarf erneut.
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Exportieren Sie die Messdaten zur Analyse.
Überlegungen zur Systemeinrichtung
Das WindProbe 3D-System ist auf einfache Bedienung und schnellen Einsatz ausgelegt:
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Die 5-Loch-Sonde wird vorkalibriert und mit CE-Kennzeichnung geliefert
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Ein einziges USB-Kabel sorgt für Stromversorgung und Datenübertragung
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Der Standardgeschwindigkeitsbereich beträgt 2–20 m/s, andere Bereiche sind verfügbar
- Die Positionsmarkierungen müssen vor dem ersten Test positioniert und kalibriert werden
- Das Messvolumen muss definiert werden
Messvolumen und Voxelauflösung
Das Messvolumen definiert, wo Windflussdaten gesammelt werden. Die WindVision-Software unterteilt das Messvolumen in Voxel, die die räumliche Auflösung bestimmen:
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Kleinere Voxel erfassen feinere Strömungsstrukturen
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Größere Voxel verkürzen die Erfassungszeit, verwischen aber Details
Die Voxelgröße sollte der Skala der zu messenden Strömungsmerkmale entsprechen.
Abbildung 6: Einstellen der Voxelauflösung in der WindVision-Software
Datentypen und Exporte
Daten können aus der WindVision-Software in einem von zwei Formaten exportiert werden: CSV und VTK.
Rohmessdaten (CSV): Enthalten zeitgestempelte Windgeschwindigkeitsmessungen mit räumlichen Koordinaten. Dieses Format ist nützlich für:
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Benutzerdefinierte Verarbeitung und Filterung
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Zeitbasierte Analyse
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Wiederverarbeitung mit anderen Voxel-Einstellungen
Strömungsfelddaten (VTK)
Voxelgemittelte Strömungsfelddaten werden im VTK-Format exportiert und eignen sich für:
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3D-Visualisierung und Schnitte
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CFD-Vergleich
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Datenaustausch und Zusammenarbeit
Tipps für Strömungskarten höherer Qualität
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Konzentrieren Sie sich auf Bereiche mit starken Strömungsgradienten: Verbringen Sie mehr Zeit in Nachläufen und Scherschichten.
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Verwenden Sie gleichmäßige Sondeneinstellungen: Mehrfache Durchgänge erhöhen die Probenanzahl pro Voxel.
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Behalten Sie eine korrekte Sondenausrichtung bei: Halten Sie die 5-Loch-Sonde innerhalb ihres Akzeptanzwinkels.
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Wählen Sie die richtige Konfiguration: Passen Sie Sondenspitze und Geschwindigkeitsbereich an die Testbedingungen an.
Weiterführende Literatur: Wie ein WindShaper funktioniert
Andere Windflussmesssysteme
Eine Kartierung des Strömungsfeldes ist mit herkömmlichen Windmessgeräten möglich, doch die Erzeugung räumlich aufgelöster Daten erfordert in der Regel Punktmessungen und zusätzliche Infrastruktur.
Zwei der führenden herkömmlichen Ansätze werden unten beschrieben.
Robotische oder traversenbasierte Messungen
Bei diesem Ansatz wird ein Windsensor, wie eine Mehrloch-Sonde oder ein Hitzdrahtanemometer, an einem Roboterarm, einer Linearschiene oder einem Traversensystem befestigt.
Diese Methode erfordert in der Regel:
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Vorabdefinition jedes Messpunkts
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Präzises Bewegen des Sensors zu jedem Ort
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Anhalten an jedem Punkt zur Datenerfassung
Obwohl dies eine gute Positionsgenauigkeit bieten kann, bringt es Nachteile mit sich:
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Hohe Kosten und hohe Komplexität der Einrichtung durch Robotersysteme oder Schienensysteme
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Lange Erfassungszeiten aufgrund des Stopp-und-Mess-Verfahrens
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Begrenzte räumliche Auflösung um die Testdauer vernünftig zu halten
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Fragmentierte Datensätze die eine manuelle räumliche Zuweisung in der Nachbearbeitung erfordern
Manuelle Messungen von Hand oder auf einem Stativ
Ein anderer Ansatz besteht darin, den Sensor manuell zu bewegen, entweder von Hand oder mit einem einfachen Stativ, und an jedem Ort anzuhalten, um eine Messung durchzuführen.
In diesem Fall wird die Sonde stillgehalten, während die Daten aufgezeichnet und die Position geschätzt oder manuell protokolliert wird.
Diese Methode reduziert die Hardwarekomplexität, bringt aber andere Einschränkungen mit sich:
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Schlechte Wiederholbarkeit aufgrund der freien Handpositionierung
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Geringere Positionsgenauigkeit im Vergleich zu geführten Systemen
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Reduzierte räumliche Auflösung um die Gesamtmesszeit zu begrenzen
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Erhöhter Nachbearbeitungsaufwand um jedem Messwert eine Position zuzuweisen
Kontinuierliche Messung mit Positionsüberwachung
Im Gegensatz dazu kombiniert ein modernes System wie WindProbe 3D kontinuierliche Messung mit Positionsüberwachung:
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Nimmt Geschwindigkeitsdaten kontinuierlich auf, während sich die Sonde im Raum bewegt
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Weist jeder Messung in Echtzeit einen Ort zu
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Informiert den Benutzer, wenn Daten korrekt oder fehlerhaft erfasst werden
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Verwendet Interpolation, um spärlich abgetastete Bereiche zu füllen
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Zeigt das Strömungsfeld live an, wobei die Farbe die lokale Strömungsgeschwindigkeit angibt
Dieser Ansatz ersetzt die Punkt-für-Punkt-Erfassung durch eine kontinuierliche räumliche Abtastung, was eine hochauflösende Strömungskartierung praktikabel und wiederholbar macht.
Abbildung 7: Die WindProbe 3D scannt das Strömungsfeld um einen UAV
Zusammenfassung
Eine 5-Loch-Drucksonde ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Messung des Windflusses, weil sie an jedem Punkt im Raum sowohl Windgeschwindigkeit als auch Windrichtung erfasst. In Kombination mit Positionsüberwachung, Echtzeitvisualisierung und einer programmierbaren Windquelle wie einer Windwand lassen sich diese Messungen zu einem vollständigen Strömungsfeld zusammenfügen.
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