DE102005017515A1

DE102005017515A1 - Einrichtung zur automatischen Auswertung und Steuerung von Windkanalmessungen

Info

Publication number: DE102005017515A1
Application number: DE102005017515A
Authority: DE
Inventors: Sönke Cand.-Ing. Fritz; Rolf-Rainer Prof. Grigat
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-10-19
Also published as: JP2008536133A; DE602006004978D1; EP1869425B1; WO2006108669A1; BRPI0610640A2; US7942049B2; EP1869425A1; CN100570309C; CA2601171A1; RU2407998C2; CN101160519A; RU2007139984A; US20100064793A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auswerten einer Windkanalmessung, bei der ein Prozessor (3) ein Strömungselement auf einem im Windkanal (6) aufgezeichneten Bild identifiziert. Das identifizierte Strömungselement kann im Anschluss segmentiert und weiter untersucht werden, um genaue Aussagen über das Strömungsverhalten eines zu untersuchenden Objekts zu erhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Anordnung und ein Verfahren zum Auswerten von Windkanalmessungen, ein computerlesbares Speichermedium und ein Programm-Element.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der Entwicklung neuer Flugzeuggenerationen werden die aerodynamischen Eigenschaften zunächst an Modellen, basierend auf Messungen im Windkanal optimiert. Hierzu werden zahlreiche Fäden von wenigen Zentimetern Länge mit einem Faden-Ende auf dem Modell befestigt, sodass durch Beobachtung der Fäden in der Windströmung auf den Strömungszustand und auf die Strömungsrichtung am Ort der Fäden geschlossen werden kann.

Es werden dabei grob drei Zustände, nämlich „ungestört" (bzw. laminar), „gestört" (turbulent) und „abgelöst" unterschieden. Liegt die Strömung im Bereich eines Fadens an der Modelloberfläche an, so ist die Strömung ungestört. Der Faden bleibt gestreckt (laminare Grenzschicht) und zeigt die örtliche Richtung der Oberflächenströmung an. Ab dem Umschlagpunkt beginnt das freie Faden-Ende zu zappeln, die Strömung ist gestört (turbulente Grenzschicht). Kleine, beginnende Störungen der Oberflächenströmung führen zu "zappelnden" Bewegungen der freien Faden-Enden. Am Ablösepunkt hebt die Strömung von der Oberfläche ab (abgelöste Strömung), und es bilden sich stark verwirbelnde bis rückströmende (entgegen der Hauptströmungsrichtung gerichtete) Oberflächenströmungen aus. Der Faden in einem solchen Gebiet bewegt sich so schnell in allen seinen räumlichen Freiheitsgraden, dass visuell nur noch der befestigte Fadenkopf wahrgenommen wird.

Bisher werden die Fadenbilder üblicherweise von Hand ausgewertet. Hierzu werden Videoaufnahmen während der Windkanalmessungen erstellt und manuell ausgewertet. In den ausgewählten Aufnahmen und zugeordneten Konzeptskizzen werden die Grenzlinien zwischen den Bereichen ungestörter, gestörter und abgelöster Strömung durch den Anwender eingezeichnet.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Windkanalmessungen verbessert auszuwerten.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, durch eine Anordnung und durch ein Verfahren zum Auswerten einer Windkanalmessung, durch ein computerlesbares Speichermedium und durch ein Programm-Element zum Auswerten einer Windkanalmessung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Auswerten einer Windkanalmessung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Prozessor, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm der Verfahrensschritt des automatischen Identifizierens mindestens eines Strömungselements auf einem bei der Windkanalmessung aufgezeichneten Bild durchführbar ist.

Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Auswerten einer Windkanalmessung geschaffen. Bei dem Verfahren wird mittels einem Prozessor mindestens ein Strömungselement auf einem bei der Windkanalmessung, zum Beispiel in dem Windkanal, aufgezeichneten Bild automatisch identifiziert.

Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, in dem ein Programm zum Auswerten einer Windkanalmessung gespeichert ist, das bei Ausführung auf einem Prozessor mindestens ein Strömungselement auf einem bei der Windkanalmessung aufgezeichneten Bild automatisch identifiziert, und optional das Bild des mindestens einen Strömungselements und/oder eines zu untersuchenden Objekts, an dem das mindestens eine Strömungselement befestigt sein kann, bearbeitet.

Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Programm-Element zum Auswerten einer Windkanalmessung geschaffen, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, ein Strömungselement auf einem bei der Windkanalmessung aufgezeichneten Bild identifiziert, und optional das Bild des mindestens einen Strömungselements und/oder einen Objekts bearbeitet.

Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d.h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d.h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.

Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Anordnung zum Durchführen einer Windkanalmessung mit einem in einem Windkanal angeordneten Objekt, mit einer Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines Bildes, und mit einer Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen bereitgestellt.

Erfindungsgemäß kann ein auf einem zu untersuchenden und sich in dem Windkanal befindenden Objekt angebrachtes Strömungselement automatisch identifiziert und/oder segmentiert werden. Anhand dieser Identifizierung und/oder Segmentierung des Strömungselements oder der Strömungselemente können im Folgenden weitere Berechnungen, Simulationen oder Bearbeitungen automatisiert vorgenommen werden. Dadurch kann zeitsparend eine zuverlässige Statistik über viele Aufnahmen bei konstanten Versuchsbedingungen angefertigt werden, sodass nicht nur Stichproben gemessen werden können, die im Allgemeinen großen Streuungen unterliegen können.

Eine automatische Auswertung einer Windkanalmessung kann mit sehr geringem Zeitaufwand durchgeführt werden, und insbesondere kann eine detaillierte Auswertung während einer laufenden Messung (zum Beispiel auch in Echtzeit) durchgeführt werden. Durch die Möglichkeit, mehrere Messungen und zugleich Auswertungen durchzuführen, können Mess-Streuungen und Fehler verringert oder minimiert werden.

Darüber hinaus können gemäß der vorliegenden Erfindung Auswertungen mit verschiedenen Parametersätzen durchgeführt und Kennlinien als Funktion verschiedener Parameter erstellt werden, womit der Zeitaufwand und die Fehlerwahrscheinlichkeit vermindert werden können.

Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Windkanalmessung und deren Auswertung an einem Flugzeug oder an einem Flugzeugmodell erfolgen, so dass insbesondere bei der Entwicklung einer neuen Flugzeugtechnologie die Strömungseigenschaften des Flugzeugs verifiziert, verbessert oder optimiert werden können.

Unter dem Begriff „Strömungselement" kann insbesondere ein physischer Gegenstand von gegenüber einem zu untersuchenden Objekt üblicherweise kleiner Ausdehnung verstanden werden, welcher Gegenstand an dem Objekt befestigt werden kann. Ist ein solches Strömungselement einer Strömung (zum Beispiel in einem Windkanal) ausgesetzt, wird es von dieser Strömung beeinflusst und kann daher zum Charakterisieren der Strömungsverhältnisse in seinem Umgebungsbereich dienen. Ein solches Strömungselement kann zum Beispiel als Faden realisiert werden.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine (optische) Aufnahmeeinrichtung, wobei mit der mindestens einen Aufnahmeeinrichtung ein Bild des mindestens einen Strömungselements auf einem zu untersuchenden Objekt aufgezeichnet werden kann.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine Anzeigeeinrichtung zum Darstellen des aufgezeichneten Bildes des mindestens einen Strömungselements und/oder des Objekts.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das mindestens eine Strömungselement gegenüber dem zu untersuchenden Objekt unterschiedliche Farben auf, um somit eine schnelle und sichere Identifizierung und Segmentierung auf dem aufgenommenen Bild ermöglichen zu können.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen mindestens zwei Strömungselemente unterschiedliche physikalische Eigenschaften (zum Beispiel Steifigkeit, Durchmesser, Oberflächenstruktur) auf. Dadurch kann der Informationsgehalt einer Messung, beispielsweise durch Vergleich des Verhaltens der verschiedenen Strömungselemente in der Strömung, erhöht werden.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner zwei oder mehr Aufnahmeeinrichtungen, um somit das zu untersuchende Objekt und/oder das mindestens eine Strömungselement dreidimensional bzw. räumlich darzustellen. Durch eine sterische Darstellung kann der Informationsgehalt der Messung erhöht werden und können die Ergebnisse dem Benutzer übersichtlich und aus einer gewünschten Perspektive dargestellt werden.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für die Aufnahmeeinrichtung eine Farbkamera bereitgestellt, um somit das mindestens eine Strömungselement und/oder das Objekt farbaufgelöst und somit besser identifizieren oder segmentieren zu können.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Highspeed-Kamera eingesetzt werden, um somit über mehrere auswertbare Bildaufnahmen pro Zeiteinheit zu verfügen. Beispielsweise kann somit die Bewegung der Strömungselemente besser verfolgt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Prozessor zum Verarbeiten von Interlace-Videosequenzen ausgebildet sein, womit die Bewegung eines Strömungselements noch besser ausgewertet werden kann

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens identifiziert und/oder segmentiert ein Prozessor mittels einem aufgezeichneten Bild des mindestens einen Strömungselements und/oder des zu untersuchenden Objekts aufgrund von verschiedenen Farbtönen das mindestens eine Strömungselement von der Umgebung bzw. von dem zu untersuchenden Objekt.

Im weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann das Bild des mindestens einen Strömungselements und/oder des Objekts (zum Beispiel auf einem Speichermedium) gespeichert werden, so dass es für weitere Untersuchungen zur Verfügung steht.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens können aus dem aufgezeichneten Bild geometrische Eigenschaften des mindestens einen Strömungselements errechnet werden. Somit ist es möglich, gegebenenfalls die Entwicklung des Strömungsverhaltens des mindestens einen Strömungselements als stetige Funktion darzustellen.

In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird aufgrund von physikalischen Eigenschaften des mindestens einen Strömungselements der Informationsgehalt der Messung erhöht. Das mindestens eine Strömungselement kann dabei vorgebbare physikalische Eigenschaften wie beispielsweise einen bestimmten Farbton, eine bestimmte Luminanz, eine bestimmte Sättigung, eine bestimmte Steifigkeit, einen bestimmten Durchmesser oder eine bestimmte Oberflächenstruktur aufweisen. Damit ist es möglich, beispielsweise durch Vergleich zweier Strömungselemente unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften Schlüsse auf das Strömungsverhalten zu ziehen.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden geometrische Eigenschaften des mindestens einen Strömungselements basierend auf dem aufgezeichneten Bild des mindestens einen Strömungselements berechnet. So kann beispielsweise der Schwerpunkt, die Fläche, das Achsenverhältnis und die Ausrichtung des Strömungselements berechnet werden. Dabei beschreibt beispielsweise der Schwerpunkt eine bestimmte Fadenposition und die Ausrichtung eine bestimmte Orientierung des Fadens. Die Fläche und das Achsenverhältnis enthalten häufig Informationen, ob der Faden gestreckt ist oder schnelle Bewegungen ausführt.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann der Abstand der Strömungselemente auf dem zu untersuchenden Objekt konstant sein, so dass sich ein periodisches Muster der Strömungselemente ergibt, womit man mittels Fourier-Analyse und geometrischer Transformation die Strömungselemente besser und eindeutiger identifizieren und/oder segmentieren kann.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden durch eine Aufnahmeeinrichtung mittels dem Interlace-Verfahren mindestens zwei aufeinanderfolgende Teilbilder aufgenommen und aufgrund der Bildaufbaugeschwindigkeit der Teilbilder die Bewegungsgeschwindigkeiten des mindestens einen Strömungselements gemessen.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird ein Objekt in Voronoi-Zellen unterteilt, in dessen Zentrum sich jeweils ein Strömungselement befindet. Damit werden die Strömungseigenschaften des im Zentrum liegenden Strömungselements auf die ganze Zelle übertragen.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden mittels mehrerer Aufnahmeeinrichtungen das mindestens eine Strömungselement und/oder das zu untersuchende Objekt dreidimensional dargestellt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann mittels einer Eingabeeinrichtung das zu untersuchende Objekt im Windkanal direkt bewegt werden und/oder durch Eingabe bestimmter Steuerparameter gesteuert werden. Diese Steuerparameter können beispielsweise der Anstellwinkel, der Gierwinkel oder der Rollwinkel des Objekts bzw. verschiedene Strömungsparameter sein.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann ein bestimmter Beobachtungszustand des zu untersuchenden Objekts bzw. des mindestens einen Strömungselements vorgegeben werden und können automatisch die Steuerparameter und/oder die Ausrichtung des zu untersuchenden Objekts bzw. der Strömung des Windkanals eingestellt werden. Wünscht der Benutzer beispielsweise einen Zustand, in dem die Strömung sich ablöst, so gibt er diesen Zustand für einen Bereich ein, worauf die Steuerparameter und die Modellausrichtung automatisch berechnet und eingestellt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann durch geometrische Transformation die Position eines Strömungselements berechnet werden. Sind die korrespondierenden Positionen eines oder mehrerer, z.B. von mindestens vier, Strömungselementen eines benachbarten Strömungselements bekannt, so sind die geometrischen Eigenschaften durch geometrische Transformation (Homographie) berechenbar.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Programm-Elements wird das mindestens eine Strömungselement entsprechend seinen geometrischen und/oder physikalischen Eigenschaften dargestellt, beispielsweise durch bestimmte Farbtöne.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Programm-Elements kann dabei der Übergang eines Strömungszustands bzw. die Änderung der geometrischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Strömungselemente als kontinuierlicher Übergang dargestellt werden.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Programm-Elements kann das zu untersuchende Objekt in Voronoi-Zellen unterteilt werden, in deren Zentrum der Zellen sich jeweils ein Strömungselement befindet. Jede Voronoi-Zelle kann repräsentativ für das im Zentrum angebrachte Strömungselement stehen. Die Voronoi-Zellen können mit einer diskreten oder kontinuierlichen Abfolge von Farben gemäß den geometrischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Strömungselemente eingefärbt werden.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann der Bereich zwischen den Strömungselementen durch Interpolation mit kontinuierlichen Farbübergängen dargestellt werden. Somit kann die Änderung der verschiedenen Eigenschaften der Strömungselemente deutlicher dargestellt werden.

In einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Programm-Elements kann das mindestens eine Strömungselement getrennt und/oder kombiniert mit dem zu untersuchenden Objekt dargestellt werden. Somit können bei einer getrennten Darstellung Berechnungen besser durchgeführt werden und bei kombinierter Darstellung einem Benutzer die Ergebnisse deutlicher dargestellt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Programm-Elements können zur Visualisierung des mindestens einen Strömungselements und/oder des Objekts Zusatzinformationen mit einberechnet werden, die so nicht an dem zu untersuchenden Objekt oder in den Strömungseigenschaften des Windkanals vorhanden sind. Diese Zusatzinformationen können bestimmte Strömungslinien, bestimmte Druckverteilungen sein, angenommene verdeckte konstruktive Merkmale an dem zu untersuchenden Objekt wie beispielsweise Triebwerkstrahlen oder Hochauftriebshilfen.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Programm-Elements können mehrere Einzelmessungen bei gleichen Steuerparametern und verschiedenen Objektkonfigurationen ausgewertet werden. So kann der Benutzer besser die verschiedenen Objektkonfigurationen, wie beispielsweise verschiedene Triebwerksdurchmesser, bei gleichen Umgebungsbedingungen untersuchen.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Programm-Elements können die Einzelmessungen mit gleichen oder unterschiedlichen Steuerparametern und gleichen oder unterschiedlichen Objektkonfigurationen statistisch ausgewertet werden. Wertet man die Einzelmessungen bei gleichen Parametern und gleichen Objektkonfigurationen aus, kann mittels des Programm-Elements ein einstellbarer Fehlergrenzwert festgesetzt werden. Damit wird erst bei Bereichen einer bestimmten Anzahl an gültigen Messungen die Messung mit anderen Parametern und/oder Objektkonfigurationen fortgesetzt. Dies kann automatisch ablaufen. Dadurch wird die Messung deutlich sicherer, so dass Fehlaufnahmen oder Fehlberechnungen ausgeglichen werden können.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel des Programm-Elements kann die Schrittweite der Parameter der Messung steuerbar verändert werden, so dass der Anwender beispielsweise bei kritischen Übergängen, beispielsweise von turbulenter zu abgelöster Strömung, bessere Schrittweiten einstellen kann, um somit häufigere Messungen zu erhalten. Mit dem Programm-Element kann ebenfalls durch kontinuierliche Bildauswertung automatisch eine Hysterese-Kurve ermittelt werden.

Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Anordnung ferner ein Befestigungsmittel zum Befestigen der Strömungselemente an einem zu untersuchenden Objekt im Windkanal aufweisen. Diese Befestigungsmittel können dabei Klebestreifen sein, die zudem im Vergleich zu dem mindestens einen Strömungselement unterschiedliche Farbtöne aufweisen.

Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Anordnung ferner eine Eingabeeinrichtung (zum Beispiel eine graphische Benutzerschnittstelle), mit der das zu untersuchende Objekt gesteuert werden kann und/oder mit der Parameter eingegeben werden können.

Die Strömungselemente können beispielsweise aus Fäden oder Nadeln, die gelenkig auf einem zu untersuchenden Objekt befestigbar sind, bestehen.

Die Ausgestaltungen der Vorrichtung und/oder der Anordnung gelten auch für das Verfahren, das computerlesbare Speichermedium und das Programm-Element, und umgekehrt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON EXEMPLARISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Darstellung in der Figur ist schematisch und nicht maßstäblich.
1 zeigt eine Anordnung zum Durchführen einer Windkanalmessung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Anordnung umfasst einen Windkanal 6, in dem sich ein zu untersuchendes Objekt 1 (zum Beispiel ein verkleinertes Modell eines Flugzeugs). Die Aufnahmeeinrichtungen 2 (zum Beispiel Kameras) befinden sich im Normalfall außerhalb des Windkanals, um die Strömung nicht zu stören. Die von den Aufnahmeeinrichtungen 2 aufgenommenen Bilder werden an einen Prozessor 3 (zum Beispiel einen Mikroprozessor eines Computer) gesendet. Über eine Eingabeeinrichtung 5 können bestimmte Parameter für die Windkanalmessung oder die Auswertung von einem Benutzer eingegeben werden. Die aus den Bildern erhaltenen Ergebnisse können auf einer Anzeigeeinrichtung 4 (zum Beispiel ein Monitor) einem Benutzer sichtbar gemacht werden.
Bei Untersuchungen von Strömungseigenschaften des zu untersuchenden Objektes 1 werden Strömungselemente (nicht gezeigt) in Form von Fäden auf die Oberfläche des Objekts 1 aufgeklebt.
Liegt die Strömung an dem Objekt 1 idealerweise an, so liegen die Fäden flach auf der Oberfläche des Objekts 1. Im Falle eines Strömungsabrisses bewegen sich die Fäden weg von der Oberfläche und "flattern" im Raum.
Ein Ziel der erfindungsgemäßen Untersuchung ist nun, die Fäden und ihre Eigenschaften auf dem Prozessor 3 verarbeiten zu können, um somit schneller und genauer die Eigenschaften des zu untersuchenden Objekts 1 zu bestimmen. Dabei nehmen die Aufnahmeeinheiten 2 während eines Strömungsversuchs, d.h. einer Windkanalmessung, das zu untersuchende Objekt 1 sowie die sich darauf befindenden Fäden auf. Im Anschluss werden mit dem Prozessor 3 die so aufgenommenen Bilder mit Mitteln der Bildverarbeitung analysiert und die Fäden auf dem Objekt 1 identifiziert und/oder segmentiert und als ein separates Bild auf einer Computer-Festplatte abgespeichert.
Die Aufnahmeeinrichtungen 2 können Farbkameras (zum Beispiel eine CCD oder eine CMOS Farbkamera) sein, die eine Vielzahl von Farben unterscheiden können. Dies kann zur Erhöhung der Informationsdichte der Bildaufnahmen führen. Die Fadenköpfe werden in einen Klebestreifen eingelegt, und der Klebestreifen wird dann auf das Modell 1 geklebt. Wählt man für den Klebestreifen eine andere Farbe als für die Fäden, sind die Fadenköpfe in Farbaufnahmen deutlich robuster zu identifizieren.
Darüber hinaus kann man für die Fäden unterschiedliche physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise Steifigkeit, Durchmesser oder Oberflächenstruktur wählen und zusätzlich zu der definierten Fadenfarbe einen hohen Informationsgehalt einer Messung erhalten. Verwendet man beispielsweise Fäden mit einem kleinen Durchmesser oder einer glatten Oberflächenstruktur, wird die Strömung an dem Objekt 1 kaum gestört und die Qualität der Messung somit deutlich erhöht.
Die aufgezeichneten Bilder des Objekts 1 und der Fäden werden während der Messung oder im Anschluss weiterverarbeitet. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Fäden von dem Objekt 1 segmentiert werden, um im Anschluss die Eigenschaften der Fäden und somit die Eigenschaften der Strömung zu charakterisieren. Dazu wird zuerst die exakte geometrische Fadenposition ermittelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erkennt der Prozessor 3 auf dem aufgezeichneten Bild, basierend beispielsweise auf dem Buntton, der Luminanz oder der Sättigung des Fadens im Bild die Fadenposition und kann diesen Faden im Anschluss segmentieren.
Basierend auf diesem segmentierten Fadenbild können nun die geometrischen Merkmale des Fadens berechnet werden. Aus dem Fadenbild lässt sich beispielsweise die Schwerpunktlage, die Fläche, das Achsenverhältnis und die Ausrichtung des Fadens erkennen. Beispielsweise beschreibt der Schwerpunkt die Fadenposition, die Ausrichtung, die Orientierung des Fadens und die Fläche und das Achsenverhältnis, ob der Faden gestreckt ist oder schnelle Bewegungen ausführt.
Um die Fäden schneller und sicherer aufzufinden, können die Fäden mit konstantem Abstand in den Klebestreifen eingelegt werden, so dass sich ein periodisches Fadenmuster einstellt, und so dass mittels Fourier-Analyse und der Kombination mit geometrischer Transformation eben diese Fäden schneller und sicherer aufgefunden werden.
Um die Bewegung der Fäden besser parametrisieren zu können, besteht die Möglichkeit durch Interlace-Videosequenzen die Fadengeschwindigkeit zu ermitteln. Ein Interlace-Vollbild besteht aus zwei Teilbildern, wobei das erste Teilbild die ungeradzahligen Zeilen und das zweite Teilbild die geradzahligen Zeilen des Vollbildes enthalten. Diese Teilbilder werden in einem definierten zeitlichen Abstand aufgenommen, so dass das erste Teilbild den Faden zu einer bestimmten Position aufnimmt und das zweite Teilbild denselben Faden an einer unterschiedlichen Position aufnimmt. Wenn die zurückgelegte Strecke in einem definierten Zeitpunkt bekannt ist, kann somit die Bewegungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Zum Minimieren von Fehlmessungen hat sich herausgestellt, dass das Abtasttheorem eingehalten werden kann.
Die nun identifizierten und parametrisierten Fäden können des Weiteren grafisch einem Benutzer dargestellt und sofort oder im Anschluss bearbeitet werden. Dazu können mittels eines Computerprogramms die Fäden je nach ermitteltem Fadenzustand (ungestört, gestört, abgelöst) gefärbt dargestellt werden, zum Beispiel "grün" für ungestörte Fäden, "gelb" für gestörte Fäden und "rot" für abgelöste Fäden.
Die Buntfärbung der Fäden kann in der Darstellung entsprechend als Funktion der geometrischen Merkmale, beispielsweise Schwerpunkt, Fläche, Achsenverhältnis oder Ausrichtung, angezeigt werden, so dass der Übergang zwischen den Strömungszuständen als kontinuierlicher Übergang der Färbung zu erkennen ist. Dies erlaubt eine wesentlich differenziertere visuelle Analyse als die diskrete Darstellung.
Alternativ kann die grafische Darstellung des untersuchten Objekts 1 (zum Beispiel Modell einer Flugzeugtragfläche) in so genannte Voronoi-Zellen unterteilt werden. In jeder Voronoi-Zelle befindet sich dabei genau ein Faden, der im Zentrum seiner Voronoi-Zelle angeordnet ist. Jede Voronoi-Zelle enthält diejenigen Punkte, die dem Zentrum dieser Zelle im Sinne einer gegebenen Metrik dichter sind als in den Zentren aller anderen Zellen. Die Voronoi-Zellen überdecken die grafische Darstellung lückenlos, ohne sich dabei zu überlappen. Die Voronoi-Zellen werden entsprechend den Eigenschaften des Fadens in deren Mittelpunkt eingefärbt, so dass sich über das zu untersuchende Objekt 1 lückenlos das Strömungsverhalten wiederspiegelt.
Anders als mit den Voronoi-Zellen können die Bereiche zwischen den Fäden auch mittels Interpolation kontinuierlicher Bunttonübergänge dargestellt werden, so dass eine kontinuierliche Darstellung entsteht.
Durch die grafische Darstellung kann neben den parametrisierten Fäden auch die Echtdarstellung des untersuchten Objekts 1 eingeblendet werden, so dass die Lage der Fäden auf diesem Objekt 1 unmittelbar zu erkennen ist. Im Falle von mehreren Aufnahmeeinrichtungen ist es möglich, diese Visualisierung dreidimensional dem Benutzer bereitzustellen, so dass er einen unmittelbaren räumlichen Eindruck der untersuchten Fadenströme erhält.
In diese Visualisierung können darüber hinaus auch rechnerisch ermittelte Daten wie zum Beispiel Strömungslinien, Druckverteilungen oder optisch verdeckte konstruktive Merkmale, wie zum Beispiel der Strahl von Triebwerken einbezogen werden. Damit lässt sich ein Strömungsverhalten eines zusätzlichen bzw. imaginär vorhandenen Objekts 1 simulieren.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, verschiedene Messungen zu vergleichen. Es kann für jeden Faden zum einen ein Abweichen bei gleichen Parametereinstellungen visualisiert werden und andererseits beispielsweise der Einfluss von Triebwerken bei Tragflächenmodellen. Auch die Grenzlinien zwischen unterschiedlichen Strömungszuständen als Funktion des Anstellwinkels der untersuchten Tragfläche kann somit untersucht werden.
Darüber hinaus ermöglicht die Einrichtung die Kombination zahlreicher Einzelmessungen bei gleichem Parametersatz, womit statistisch signifikante Aussagen berechnet werden können. Beispielsweise kann die Dauer und die Anzahl einer Messung derart gesteuert werden, dass jeweils die Fehlergrenzen einen gewählten Grenzwert unterschreiten müssen, bevor die Messung mit einer anderen Konfiguration fortgesetzt wird. Die statistisch abgesicherten Daten könnten dann der Erstellung objektiver Strömungsbilder (Flowmaps) dienen.
Im Weiteren kann die Schrittweite der Parameter wie beispielsweise der Anstellwinkel derart gesteuert werden, dass sich die Schrittweite bei interessanten Strömungsbedingungen adaptiv verringert, um eine möglichst detaillierte Messung zu erhalten.
Darüber hinaus kann auch der Umklappvorgang zwischen Strömungszuständen gezielt untersucht werden, indem zum Beispiel das oszillierende Verhalten der Strömungszustände bei konstantem Parametersatz untersucht wird. Bei periodischem Überschreiten der Grenzen, in denen sich ein Strömungszustand ändert, besteht die Möglichkeit, unter anderem durch kontinuierliche Bildauswertung automatisch die Hysterese-Kurve zu ermitteln.
In der Anordnung aus 1 besteht ebenfalls die Möglichkeit, über eine Eingabevorrichtung 5 interaktive Untersuchungen in speziellen Strömungssituationen herbeizuführen. Hierzu kann mit der Eingabeeinrichtung 5 (beispielsweise Computermaus und/oder Tastatur) ein Bereich des Versuchsobjekts 1 selektiert und untersucht werden. Beispielsweise kann man den gewünschten Bereich des Versuchsobjekts 1 markieren und ein gewünschtes Strömungsverhalten vorgeben (beispielsweise zwischen gestörter und abgelöster Strömung), worauf die Vorrichtung beispielsweise den Anstellwinkel oder andere Steuerparameter des Objekts 1 derart ändert, dass für den gewählten Objektbereich der gewünschte Beobachtungszustand eintritt.
An dieser Stelle ist es alsdann ebenfalls möglich, das Experiment manuell durchzuführen, indem die Parameter des Modells oder des Windkanals über die Eingabeeinrichtung geändert werden.
Darüber hinaus kann über die Eingabeeinrichtung die Ausrichtung oder die Form des Objekts ebenfalls wie die Strömungseigenschaften des Windkanals geändert werden, so dass beispielsweise die Machzahl geändert werden kann oder Klappen der Hochauftriebshilfen ein- und ausgefahren werden können.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, das Auftreten von Messfehlern zu verringern. Diese so genannte geometrische Korrektur wird ermöglicht, indem Nachbarschaftsbeziehungen der Fäden ausgenutzt werden. Wird beispielsweise ein Faden nicht richtig erkannt, so dass keine Aussagen über den Strömungszustand an der Stelle dieses Fadens getroffen werden können, berechnet man über geometrische Transformation des benachbarten und fehlerfrei ermittelten Fadens geometrischen Eigenschaften des ungenau gemessenen Fadens.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Vorrichtung zum Auswerten einer Windkanalmessung, umfassend: – einen Prozessor (3), der derart eingerichtet ist, dass folgender Verfahrensschritt durchführbar ist: – automatisches Identifizieren mindestens eines Strömungselements auf einem bei der Windkanalmessung aufgezeichneten Bild.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens eine Aufnahmeeinrichtung (2), wobei die mindestens eine Aufnahmeeinrichtung (2) zum Aufzeichnen des Bildes des mindestens einen Strömungselements auf einem zu untersuchenden Objekt (1) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Anzeigeeinrichtung (4) zum Darstellen des aufgezeichneten Bildes des mindestens einen Strömungselements und/oder des Objekts (1).
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, ferner umfassend eine Mehrzahl von Aufnahmeeinrichtungen (2) zum räumlichen Darstellen des Objekts und/oder des mindestens einen Strömungselements.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, wobei die mindestens eine Aufnahmeeinrichtung (2) eine Farbkamera ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, wobei die mindestens eine Aufnahmeeinrichtung (2) eine High-Speed-Kamera ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Prozessor (3) zum Verarbeiten von Interlace-Videosequenzen ausgebildet ist.
Verfahren zum Auswerten einer Windkanalmessung, wobei das Verfahren den Schritt aufweist: automatisches Identifizieren von mindestens einem Strömungselement auf einem bei der Windkanalmessung (6) aufgezeichneten Bild.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Prozessor (3) mittels des aufgezeichneten Bildes aufgrund von Farbtönen des mindestens einen Strömungselements das mindestens eine Strömungselement identifiziert und/oder segmentiert.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Entwicklung des Strömungsverhaltens des mindestens einen Strömungselements als stetige Funktion berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Windkanalmessung unter Berücksichtigung von verschiedenen physikalischen Eigenschaften unterschiedlicher Strömungselemente ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die berücksichtigten physikalischen Eigenschaften des Strömungselements ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus dem Farbton, der Luminanz, der Sättigung, der Steifigkeit, dem Durchmesser, und der Oberflächenstruktur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei geometrische Eigenschaften des mindestens einen Strömungselements basierend auf dem Bild des mindestens einen Strömungselements berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die geometrischen Eigenschaften des mindestens einen Strömungselements ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus dem Schwerpunkt, der Fläche, dem Achsenverhältnis und der Ausrichtung des mindestens einen Strömungselements.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei mittels einer Fourier-Analyse und/oder einer geometrischen Transformation das mindestens eine Strömungselement identifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei gemäß dem Interlace-Verfahren mindestens zwei Teilbilder aufgenommen werden und basierend auf den mindestens zwei Teilbildern eine Bewegung des mindestens einen Strömungselements gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei ein Objekt (1) auf dem Bild in Voronoi-Zellen unterteilt wird, so dass in dem Zentrum einer Voronoi-Zelle sich jeweils ein Strömungselement befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei ein bestimmter Beobachtungszustand des mindestens einen Strömungselements vorgegeben wird und automatisch Steuerparameter und/oder eines Ausrichtung eines zu untersuchenden Objekts (1) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, wobei mittels geometrischer Transformation eine Position des mindestens einen Strömungselements berechnet wird.
Computerlesbares Speichermedium, in dem ein Programm zum Auswerten einer Windkanalmessung gespeichert ist, welches Programm, wenn es von einem Prozessor (3) ausgeführt wird, folgenden Verfahrensschritt durchführt oder steuert: automatisches Identifizieren von mindestens einem Strömungselement auf einem bei der Winkanalmessung (6) aufgezeichneten Bild.
Computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 20, bei dem das Programm, wenn es von einem Prozessor (3) ausgeführt wird, das Bild des mindestens einen Strömungselements bearbeitet.
Programm-Element zum Auswerten einer Windkanalmessung, das, wenn es von einem Prozessor (3) ausgeführt wird, folgenden Verfahrensschritt durchführt oder steuert: automatisches Identifizieren mindestens eines Strömungselements auf einem bei der Winkanalmessung (6) aufgezeichneten Bild.
Programm-Element nach Anspruch 22 wobei das mindestens eine Strömungselement gemäß seiner geometrischen und/oder physikalischen Eigenschaften in bestimmten Farbtönen dargestellt wird.
Programm-Element nach Anspruch 22 oder 23, wobei der Übergang eines Strömungszustands als kontinuierlicher Übergang dargestellt wird.
Programm-Element nach Anspruch 23 oder 24, wobei ein Objekt in Voronoi-Zellen unterteilt wird, so dass sich in dem Zentrum einer Voronoi-Zelle jeweils ein Strömungselement befindet, wobei die Voronoi-Zellen mit einer diskreten oder kontinuierlichen Abfolge von Farben gemäß der geometrischen und/oder physikalischen Zustände der Strömungselemente eingefärbt werden.
Programm-Element nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei ein Bereich zwischen unterschiedlichen Strömungselementen durch Interpolation mit kontinuierlichen Farbübergängen dargestellt wird.
Programm-Element nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei das mindestens eine Strömungselement mit einem zu untersuchenden Objekt (1) getrennt und/oder kombiniert dargestellt wird.
Programm-Element nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei zu der Visualisierung des mindestens einen Strömungselementes und/oder des Objekts (1) Zusatzinformationen mit einberechnet werden, wobei die Zusatzinformationen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Strömungslinien, Druckverteilung, optisch verdeckten konstruktiven Merkmale und Triebwerkstrahlen.
Programm-Element nach einem der Ansprüche 22 bis 28, wobei mehrere Einzelmessungen bei gleichem Steuerparametern und verschiedener Objektkonfigurationen ausgewertet werden.
Programm-Element nach einem der Ansprüche 22 bis 29, wobei mehrere Einzelmessungen bei gleichem Steuerparametern und gleicher Objektkonfigurationen statistisch ausgewertet werden.
Programm-Element nach Anspruch 30, wobei bei Überschreitung eines einstellbaren Fehlergrenzwertes die Messung mit anderen Steuerparametern und Objektkonfiguration automatisch fortgesetzt wird.
Anordnung zum Durchführen einer Windkanalmessung, aufweisend ein in einem Windkanal (6) angeordnetes Objekt (1), eine Aufnahmeeinrichtung (2) zum Aufnehmen eines Bildes bei der Windkanalmessung (6), eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Auswerten der Windkanalmessung.
Anordnung nach Anspruch 32, ferner umfassend das mindestens eine Strömungselement, das an dem Objekt (1) befestigt ist.
Anordnung nach Anspruch 33, wobei ein Befestigungsmittel zum Befestigen des mindestens einen Strömungselements an dem Objekt (1) ein Klebestreifen ist, wobei der Klebestreifen und das mindestens eine Strömungselement unterschiedliche Farben aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 32 bis 34, ferner umfassend eine Eingabeeinrichtung zum direkten Steuern des zu untersuchenden Objekts (1) und/oder zum Eingeben von Parametern.
Anordnung nach Anspruch 35, wobei die Parameter ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Anstellwinkel des Objekts, Strömungsparameter, Gierwinkel des Objekts und Rollwinkel des Objekts.
Anordnung nach Anspruch 32 bis 36, wobei das mindestens eine Strömungselement gegenüber dem Objekt (1) unterschiedliche Farben aufweist.
Anordnung nach Anspruch 32 bis 37, aufweisend mindestens zwei Strömungselemente, die unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 32 bis 38, wobei das Objekt ein Flugzeug oder ein Flugzeug-Modell ist.