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01.09.2015 | Konstruktion + Entwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Strömungsanalyse mit bildgebenden Verfahren

Autor:
Dieter Beste

Moderne bildgebende Verfahren ermöglichen bislang ungeahnte Einblicke in den menschlichen Körper. Warum sie nicht auch zur Aufklärung von Strömungsvorgängen in industrieller Anlagen nutzen, dachten sich Wissenschaftler und Ingenieure.

Die detailreichen Bilder aus dem Inneren des Körpers, die sich Verfahren wie der Computer- oder Magnetresonanz-Tomographie verdanken, gaben den Anstoß, tomographische Methoden auch in industrielle Anlagen zu nutzen. Etwa in der Chemie- und Verfahrenstechnik, wenn Stoffe in speziellen Anlagen oder Prozessen zur Reaktion gebracht werden. Hierbei spielen Strömungen von unterschiedlichen Flüssigkeiten, Partikeln und Gasen eine wichtige Rolle, wobei die Zusammenhänge zwischen den Strömungen einerseits und den Reaktionen andererseits häufig noch ungeklärt sind.

Berührungsfreie bildgebende Verfahren, mit denen sich Stoffumwandlungsvorgänge und Strömungen in technischen Prozessen und Apparaten untersuchen lassen, sind in diesen Tagen Thema auf der Dresdner Tagung zur Prozesstomographie. „Ähnlich wie in der medizinischen Diagnostik kommen auch bei uns verschiedene Verfahren auf Basis unterschiedlicher physikalischer Messprinzipien zum Einsatz. So finden sich bekannte Bildgebungsverfahren, also zum Beispiel die Röntgencomputer-, Magnetresonanz- oder Positronen-Emissions-Tomographie, die an technische Untersuchungsgegenstände angepasst sind“, sagt Uwe Hampel vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Im Anlagenbereich stehen zudem speziellere Bildgebungsverfahren zur Verfügung: elektrische Tomographiemethoden oder Methoden, die auf Neutronen-, Infrarot- und Laserstrahlung basieren.

Aufklärung unter harschen industriellen Prozessbedingungen

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„Bildgebungsverfahren sind immer dann gefragt, wenn es um die Aufklärung von Strömungsvorgängen, Temperaturfeldern oder Stoffkonzentrationen in dynamischen Prozessabläufen geht“, erläutert Hampel. Oft seien diese Parameter in Apparaten mit dicken druckfesten Metallwänden unter harschen industriellen Prozessbedingungen zu bestimmen. Bildgebung muss dafür auf energiereiche Strahlung – wie beispielsweise Röntgen- oder Gammastrahlung – setzen. Handelt es sich um hochdynamische Vorgänge, seien zudem Abbildungsverfahren mit sehr hoher Zeitauflösung erforderlich. So könne die ultraschnelle Röntgentomographie, eine Entwicklung aus dem Dresdner Helmholtz-Zentrum, komplexe Strömungsgemische mit enorm hohen Bildraten bis zu 8.000 Bildern pro Sekunde visualisieren.

Dreidimensionale Bildgebung der Kernspintomographie

Der neu berufene rofessor für Strömungsmechanik an der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock, Sven Olaf Grundmann, setzt auf die dreidimensionale Bildgebung mit Hilfe der Kernspintomographie. Er ist in Deutschland einer der ersten Forscher, der in der Lage ist, einen Kernspintomographen zur Untersuchung technischer Strömungen zu nutzen. Fachlich fit hat sich der 39-Jährige dafür während eines längeren Forschungsaufenthaltes an der Stanford University in den USA gemacht. Mit Hilfe der Kernspintomographie lassen sich, so Grundmann, für komplizierte Strömungen, wie sie beispielsweise in Flugzeugtriebwerken, Motorkühlsystemen oder in der Aerodynamik vorkommen, ungewöhnlich schnell detaillierte Datensätze gewinnen, die man mit keiner anderen strömungsmechanischen Messtechnik erreichen könne. Nun strebt er an der Uni Rostock eine fächerübergreifende Kooperation mit Physikern, Biologen, Elektrotechnikern, Mathematikern, Medizinern und Chemikern an, um das Potenzial der Kernspintomographie für die strömungsmechanische Anwendung voll auszuschöpfen: „Mit Hilfe der Kernspintomographie könnten in naher Zukunft ganz neue Bauteile entwickelt werden, die zu beachtlichen Energieeinsparungen führen werden“.

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