Schlierenspiegel
Das optische Schlierenverfahren mit dem Schlierenspiegel ist eine Methode zur Visualisierung und Messung von Raumluftströmungen. Der Messaufbau besteht im Wesentlichen aus einem konkaven und extrem fein geschliffenen Spiegel (Ø=1002 mm, Brennweite: 3001,5 mm, Mikrorauhigkeit: < 2,7 nm RMS, Oberflächenfehler: < λ/9,75 @ 633 nm), einer Lichtquelle (LED), einer Schlierenkante sowie einer Kamera mit sehr guter Auflösung (Canon EOS 5DS R DSLR mit 50,6 MP) und einem Objektiv mit sehr hoher Schärfeleistung (ZEISS Milvus 2/135).
Das Funktionsprinzip basiert auf der Lichtstrahlablenkung infolge von Brechungsindexgradienten. Die Lichtstrahlen der Lichtquelle werden mit Hilfe des Schlierenspiegels gerichtet und fallen durch die Messstrecke. Dichtegradienten in der Strömung führen zu Brechungsindexgradienten, die die Lichtstrahlen ablenken. Auf der anderen Seite der Messstrecke werden die Lichtstrahlen auf einen Punkt fokussiert und fallen dann auf das Objektiv der Kamera. Um die abgelenkten Lichtstrahlen sichtbar zu machen wird eine sogenannte Schlierenkante z.B. von unten in den Fokuspunkt eingebracht, sodass etwa die Hälfte der Lichtstrahlen geblockt werden. Die nach unten abgelenkten Lichtstrahlen können dadurch nicht mehr auf das Objektiv der Kamera fallen, es entstehen dunkle Bereiche. Die nach oben abgelenkten Lichtstrahlen passieren die Schlierenkante und ergeben so auf dem Kameraobjektiv hellere Bereiche. Diese Helligkeitsunterschiede visualisieren die erste Ableitung des Brechungsindex.
Mit der Inbetriebnahme dieses einzigartigen Großschlieren-Systems zur Untersuchung des Raumklimas steht der Professur Bauphysik nun ein innovatives eingriffsfreies Messverfahren zur zeitlich und räumlich hochaufgelösten Bestimmung der Luftbewegung mit einer Abbildungsgenauigkeit von <0,1 K zur Verfügung.
Zukünftig können somit neue Materialien, Technologien und Verfahren im Bereich Heizen/Kühlen/Lüften von Gebäuden entwickelt werden und so ein Beitrag in den Spezialisierungsfeldern »Nachhaltige Energie- und Ressourcenverwendung« sowie „Gesundes Leben und Gesundheitswirtschaft“ erbracht werden.
Das vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2015 FGI 0005 geförderte Vorhaben wurde durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.
Das Schlierenverfahren sowie das Background-Oriented-Schlieren-Verfahren wurden im Jahr 2021 mit dem Thüringer Forschungspreis in der Kategorie "Angewandte Forschung" ausgezeichnet.
Background Oriented Schlieren (BOS)
Die Background Oriented Schlieren Methode, kurz BOS, ist ein optisches, nicht-invasives Verfahren, um Raumluftströmungen zu visualisieren. Der Versuchsaufbau besteht aus einer Hintergrundstruktur (i.d.R. schwarze Pixel auf weißem Grund), einer hochauflösenden Kamera (Canon EOS 5DS R DSLR mit 50,6 MP) ink. einem Objektiv mit sehr hoher Schärfeleistung (ZEISS Milvus 2/135) sowie dem zu untersuchenden Phasenobjekt. Zur besseren Ausleuchtung der Aufnahmen wird der Hintergrund zusätzlich mit Blitzlichtern (Elinchrom ELC Pro HD 1000) erhellt.
Mit der BOS-Technik werden Dichtegradienten, die auf Unterschieden in Temperatur oder Druck basieren, sichtbar gemacht. Diese Dichteunterschiede verursachen Brechungsindexgradienten, die das Licht, welches das Messfeld passiert, ablenken. Um die Gradienten auszuwerten, werden eine Aufnahme der ungestörten Hintergrundstruktur (flow-off) sowie eine Aufnahme des Dichtegradienten vor dem Hintergrund (flow-on) benötigt. Aufgrund des Brechungsindexgradienten wird das Licht gebrochen, sodass ein Pixel auf der flow-on-Aufnahme an einer anderen Stelle erscheint als auf dem Referenzbild. Mit computergestützten Algorithmen ist es daraufhin möglich, die Bildverschiebung der einzelnen Pixel zu ermitteln und somit den Dichtegradienten abzubilden.
Da die in bauphysikalischen Fragestellungen auftretenden Luftströmungen meist sehr geringe Dichtegradienten aufweisen, wurde das BOS-System so weiterentwickelt, um Temperaturgradienten von bis zu ΔT<0,3K abzubilden
Die Vorteile der BOS-Methode sind im Wesentlichen der einfache und flexible Versuchsaufbau sowie die nahezu unbegrenzte Größe des Messfelds. Das BOS-Verfahren kann somit auch außerhalb des Labors oder unter freiem Himmel zum Einsatz kommen.
