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Die experimentelle Strömungsanalyse gehört neben der Theorie und der Numerik zu den klassischen Werkzeugen sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Praxis. Ziel eines Experiments ist dabei immer, sich ein „Bild“ über das Strömungsfeld zu machen, um darüber z.B. strömungsmechanische Zusammenhänge zu erkennen, strömungsphysikalische Modellvorstellungen zu überprüfen oder aber - im mehr anwendungsorientierten Sinne - strömungstechnische Entwurfshypothesen im Versuch zu bestätigen. Die Vielzahl der hochmodernen Versuchsanlagen und Experimentierfelder in Forschung und Praxis der Ingenieurwissenschaften, sei es in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Automobilindustrie, der Schiffs- und Meerestechnik, der Verfahrenstechnik oder auch in der Biofluidmechanik und Fluidsystemtechnik - um einige wesentliche Beispiele zu nennen - verdeutlichen die hohe wissenschaftliche und volkswirtschaftliche Relevanz dieses Arbeitsfeldes.
In den letzten Jahren konnte jedoch in der Strömungsforschung und teilweise auch in der industriellen Anwendung eine gewisse Schwerpunktverlagerung von den Experimentellen Methoden hin zur Numerischen Simulation beobachtet werden. Der wesentliche Ursprung dieser Entwicklung liegt in der immensen Leistungssteigerung heute verfügbarer Rechner und der damit erheblich gestiegenen Anwendungsbreite moderner Strömungssimulationsverfahren (Computational Fluid Dynamics - CFD). Allerdings hat diese Entwicklung auch zweierlei deutlich werden lassen: Zum einen hat sich klar gezeigt, dass die numerischen Werkzeuge in Bezug auf quantitative Ergebnisse, beispielsweise bei der Vorhersage von Strömungswiderständen, weit hinter den Erwartungen zurückgeblieben sind und damit das Experiment auf absehbare Zeit nicht ersetzen können. Auf der anderen Seite hat diese Entwicklung aber auch deutlich gemacht, dass nur sehr wenige experimentelle Methoden bereitstehen, die bezüglich ihrer komplexen Aussagekraft mit den numerischen Verfahren noch Schritt halten können. Dieses gilt sowohl in Bezug auf die Bereitstellung vergleichbar räumlich hochaufgelöster Datensätze, die zeitlich-räumliche Analyse von Strömungsfeldern oder auch die Abbildung komplexer turbulenter Transportgrößen. Diese klar erkennbare Entwicklungslücke soll das Schwerpunktprogramm schließen, indem die Erforschung leistungsfähiger, bildgebender Messverfahren zur Analyse komplexer räumlicher Strömungsfelder gezielt vorangetrieben werden soll.
Mit dem Programm soll die moderne Strömungsmesstechnik als eine anerkannte Schlüsseltechnologie vorangetrieben und auf ein neues und deutlich erhöhtes Leistungsniveau gebracht werden. Dazu sollen Wissenschaftler aus den Bereichen Strömungsmechanik (einschließlich deren Anwender in den Ingenieurwissenschaften), der Messphysik und insbesondere auch der Informatik (u.a. Digitale Bildverarbeitung) in dem Schwerpunktprogramm zusammenarbeiten.
Im Vordergrund der Arbeiten sollen bildgebende Methoden zur Gewinnung flächenhafter bzw. räumlicher Messinformationen in stationären und instationären Strömungen stehen. Der entscheidende Zugewinn wird hier perspektivisch darin liegen, dass die leistungsgesteigerten experimentellen Werkzeuge zusammen mit der Numerik einen Zugang zu der mit heutigen Mitteln noch kaum erschlossenen Welt der instationären Strömungsmechanik eröffnen helfen.
Primäre Zielsetzung des geplanten Forschungsprogramms sind inhaltlich und konzeptionell abgestimmte und konzentrierte Forschungsarbeiten zu neuen, leistungsfähigen bildgebenden Messverfahren für die räumliche Analyse von Strömungsfeldern, um dieser zukunftsträchtigen Schlüsseltechnologie einen nachhaltigen Impuls zu geben. Da für eine erfolgreiche Entwicklung derartiger Verfahren Kenntnisse in mehreren Disziplinen erforderlich sind, soll über das Schwerpunktprogramm eine Bündelung der vorhandenen Ressourcen und Fachdisziplinen bewirkt werden, um optimale Synergieeffekte zu erreichen. Da bei den einzelnen für ein bildgebendes Messverfahren erforderlichen Komponenten, wie Lichtquellen (Laser), CCD-Kameras, Rechner, Steuerelektroniken etc., derzeit ein rasanter technologischer Fortschritt zu verzeichnen ist, herrschen für dieses Forschungsthema derzeit sehr günstige Randbedingungen.
Das Forschungsprogramm soll sich grob in die folgenden vier Themenkreise gliedern:
Insbesondere soll dabei auch das enorme Potenzial der modernen digitalen Bildverarbeitung und Bildanalyse gezielt auf die angesprochenen Probleme der bildgebenden Strömungsmesstechnik angesetzt werden, indem verstärkt auch interdisziplinäre Forschungsprojekte zwischen der Strömungsmechanik (und deren Anwendern) einerseits und der Informatik/Bildverarbeitung andererseits initiiert werden. Die Forschungsarbeiten in diesen vier Themenkreisen sollen deshalb durch feste Forschungskooperationen zwischen den Antragstellern (u.a. Paketanträge) weitestmöglich verknüpft werden.
Ergänzt werden soll das Programm durch bis zu drei hinsichtlich Orts- und Zeitauflösung problemstellende Prinzipexperimente, an denen sich mehrere Arbeitsgruppen in methodisch abgestimmten Messkampagnen beteiligen, und für die auch jeweils numerische Begleitprojekte einzuplanen werden sind (vorzugsweise Direkte Numerische Simulation oder Large Eddy Simulation, in beiden Fällen allerdings unter Ausschluss einer Verfahrensentwicklung).
Das Schwerpunktprogramm soll sich insgesamt auf die Erforschung neuer und leistungsfähiger, bildgebender Messverfahren für die Strömungsanalyse konzentrieren und dazu Wissenschaftler aus den Bereichen Messphysik, Strömungsmechanik und Bildverarbeitung sowie aus den relevanten Anwendungsbereichen u.a. der Verfahrenstechnik, Biofluidmechanik oder Medizintechnik zusammenführen. Für die vier messtechnisch orientierten Themenkreise ergeben sich dabei schwerpunktmäßig folgende Aufgabenstellungen:
Feldmessverfahren:
Oberflächenmessverfahren:
Strömungsmesstechnik auf MEMS-Basis:
Messverfahren für komplexe Transportgrößen:
Die genannten Messtechnik-Aufgabenfelder stellen nur eine grobe Liste möglicher Forschungsthemen dar und sind insbesondere auch in Verbindung mit den übergeordneten Arbeitsthemen der Bildverarbeitung und –analyse zu sehen.
Die Anträge zur digitalen Bildverarbeitung sollen sich primär auf die Analyse von Strömungsvektorfeldern, Segmentierungsaufgaben, die Extraktion von invarianten Merkmalen und Phänomenen u.ä. konzentrieren. Im einzelnen handelt es sich dabei um folgende methodische Ansätze und Aufgabenstellungen:
Die Anträge aus dem Bereich der Informatik/ Bildverarbeitung sollen vorzugsweise im Verbund mit einem strömungsmechanisch ausgerichteten Partner konzipiert sein.
Das Schwerpunktprogramm „Bildgebende Messverfahren für die Strömungsanalyse“ ist per se für eine Beteiligung von Wissenschaftlern der genannten Disziplinen offen und soll durchaus auch Aufgabenstellungen aus anwendungsorientierteren Bereichen, wie z.B. der Verfahrenstechnik oder der Fluidsystemtechnik, mit einbeziehen. Allerdings müssen die Antragsteller einen Nachweis über einschlägige Erfahrungen auf dem Gebiet der bildgebenden Messverfahren führen können.
Eine thematische und methodische Eingrenzung der zu fördernden Projekte ist damit prinzipiell nicht gegeben. Allerdings sollen Themen aus dem Bereich der Zwei- und Mehrphasenströmungen sowie dem Bereich reaktiver Strömungen (Verbrennung) ausgeklammert bleiben. Ferner sollen sich die Forschungsarbeiten zunächst auf das Gebiet der transparenten Strömungsmedien (Luft, Wasser, Öle etc.) konzentrieren, um den Einsatz laseroptischer Verfahren nicht einzuschränken oder gar auszuschließen.
Darüber hinaus werden keine Hardware-Entwicklungsarbeiten (Lasersysteme/CCD-Kameras etc.) gefördert, da diese Subsysteme für den breiten Einsatz der bildgebenden Messverfahren kommerziell verfügbar sein müssen. Die Forschungsarbeiten sollen sich vielmehr auf innovative Ansätze zu den Messverfahren selbst und zur digitalen Bildverarbeitung konzentrieren.
Zu den Themen des Schwerpunktprogramms werden Beiträge aus folgenden Disziplinen erwartet:
sowie einzelne Beiträge aus speziellen Anwendungsgebieten, wie z.B. der Biologie, Meteorologie oder Mikrofluidik.