DE102011112121B4

DE102011112121B4 - Strömungsermittlung

Info

Publication number: DE102011112121B4
Application number: DE102011112121.1A
Authority: DE
Inventors: Christopher Wolkensinger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2031-09-03
Also published as: DE102011112121A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln einer Wirbelströmung aus Messdaten, die Strömungsmessdatenverläufe (43) von an diskreten Messpositionen (23) erfassten Strömungsmessdaten enthalten, mit den durch eine Recheneinheit ausführbaren Schritten: – Ermitteln von wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten (41, 42) aus den Strömungsmessdatenverläufen (43), – Berechnen eines räumlichen Verlaufes mindestens einer Wirbelachse (62) der Wirbelströmung in Abhängigkeit von den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten (41, 42) und der jeweiligen Messposition (23) der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten (41, 42), und – Ermitteln der Wirbelströmung in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf (62) der mindestens einen Wirbelachse gekennzeichnet durch – Berechnen von in Richtung der mindestens einen Wirbelachse ausgerichteten Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren (53) in Abhängigkeit von den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und deren jeweiligen Messpositionen und – Berechnen des räumlichen Verlaufes der mindestens einen Wirbelachse der Wirbelströmung in Abhängigkeit von den berechneten Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren (53) durch: – Berechnen der Entfernungen der Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren zu jeweiligen Wirbelkernpositionen in Abhängigkeit von aus den jeweiligen wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten abgeleiteten Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung und einer vordefinierten Zirkulationsstärke (Γ) der Wirbelströmung, – Berechnen der Wirbelkernpositionen in Abhängigkeit von den Messpositionen der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten, deren jeweiligen Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren und der jeweils berechneten Entfernung, und – Berechnen des räumlichen Verlaufes der mindestens einen Wirbelachse in Abhängigkeit von den Wirbelkernpositionen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Wirbelströmung aus Messdaten. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm sowie eine Vorrichtung hierzu.
Eine Strömung ist eine mehr oder weniger gerichtete Bewegung von Teilchen. Atmosphärische Turbolenzen sind ungleichmäßige Luftströmungen, in denen sowohl Strömungsrichtung als auch Strömungsgeschwindigkeit variieren. Wirbelschleppen stellen dabei eine Sonderform von Turbulenzen dar. Sie entstehen hinter Flugzeugen und sind bedingt durch den erzeugten Auftrieb sowie den Druckunterschieden zwischen Flügelober- und Flügelunterseite. Die Lebensdauer von Wirbelschleppen hängt vom erzeugenden Flugzeug und von den vorliegenden atmosphärischen Bedingungen ab und kann bis zu mehrere Minuten betragen. Speziell für Konstellationen, bei denen ein schweres und folglich starke Wirbelschleppen erzeugendes Flugzeug vor einem leichten und somit anfälligen Flugzeug fliegt, stellen die Wirbelschleppen eine latente Gefahr für das nachfolgende Flugzeug dar.
Bei einem Einflug in eine Wirbelschleppe können gefährlich große Kräfte und Momente auf ein Flugzeug einwirken. Im Vordergrund stehen hier hohe Rollmomente, die von der wirbelförmigen Strömung induziert werden. Außerdem können in den einzelnen Auf- und Abwindbereichen der Wirbelschleppe große Lastvielfache auf das Flugzeug wirken. Ein überraschender Einflug ist besonders für nicht angeschnallte Passagiere und das Kabinenpersonal gefährlich.
Außerdem können die induzierten Kräfte und Momente strukturelle Schäden am Flugzeug verursachen. Lassen sich die Einwirkungen der Wirbelschleppe nicht mehr mit den aerodynamischen Steuerflächen des Flugzeuges aussteuern, bringt der Wirbelschleppeneinflug einen kurzzeitigen Kontrollverlust mit sich und kann das Flugzeug in ungewollte Fluglagen versetzen, die insbesondere in bodennahen Flugphasen beispielsweise in An- und Abflugphasen besonders kritisch sind.
Um derartige Wirbelschleppeneinflüge von nachfolgenden Flugzeugen zu vermeiden, sind bestimmte zeitliche beziehungsweise räumliche Mindeststaffelungsabstände zwischen Flugzeugen vorgeschrieben, wodurch die erreichbaren Kapazitäten von Flughäfen und Lufträumen stark eingeschränkt werden. Die vorgeschriebenen Mindeststaffelungsabstände basieren auf empirisch entstandenen Erfahrungswerten und sind im Allgemeinen relativ konservativ ausgelegt. In den meisten Fällen wird der Zerfall von Wirbelschleppen durch atmosphärische Turbulenzen beschleunigt oder seitliche Windkomponenten transportieren die Wirbelschleppe bzw. Wirbelströmung aus der Flugbahn des nachfolgenden Flugverkehrs. Da diese Effekte sich jedoch nur äußerst schwierig einschätzen lassen, sind die derzeitigen, festen Staffelungsabstände relativ großzügig ausgelegt. Dennoch gibt es regelmäßig immer wieder Vorfälle, bei denen unter besonders ungünstigen atmosphärischen Bedingungen selbst die vorgeschriebenen Staffelungsabstände nicht ausreichen, um Wirbelschleppeneinflüge zuverlässig zu verhindern.
Ein weiteres Merkmal von Wirbelschleppen ist die Tatsache, dass Wirbelschleppen nach der Entstehung die Tendenz aufweisen abzusinken. Dies kann insbesondere bei den kleinen vertikalen Staffelungsabständen (1000 ft in RVSM-Luftraum) zwischen einzelnen Flugzeugen im Reiseflug problematisch sein. So gab es bereits einzelne Vorfälle, bei denen Flugzeuge in die absinkende Wirbelschleppe von einem auf der nächst höheren Flugebene fliegenden Flugzeug eingeflogen sind. Bei solchen zurzeit unvorhersehbaren Einflügen besteht ein hohes Unfallrisiko.
Es besteht somit ein Bedarf, vorausliegende Wirbelströmungen im Luftraum von Bord eines Flugzeuges aus sicher erkennen zu können, um so Wirbelschleppeneinflüge zuverlässig verhindern zu können. Zusätzlich würde dies eine Steigerung der Kapazitäten von Lufträumen und Flughäfen ermöglichen.
Stand der Technik
So ist beispielsweise aus der DE 10 2009 039 016 A1 ein Verfahren zur Wirbelströmungsermittlung bekannt, das auch an Bord von Flugzeugen eingesetzt werden kann. Dabei werden mit Hilfe von Sensoren Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung gemessen, die dann zur Berechnung eines die Wirbelströmung abbildenden Strömungsmodells herangezogen werden. Hierzu werden zunächst die Parameter des Strömungsmodells grob vorinitialisiert, wobei dann anhand dieses Modells die an den diskreten Messpositionen gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten aus dem Strömungsmodell abgeleitet werden. Anhand eines Vergleiches mit den berechneten Strömungsgeschwindigkeiten und den gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten werden dann die Parameter des Strömungsmodells solange optimiert, bis die berechneten Strömungsparameter den gemessenen Strömungsparametern angenähert sind.
Aus der US 4,652,122 ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Wirbelströmen bekannt, bei der mit Hilfe einer Laserscannervorrichtung in Flugrichtung Strömungsgeschwindigkeiten vor dem Flugzeug an verschiedenen Entfernungen gemessen werden. Anhand vieler Scandurchgänge und der Feststellung des Scans mit dem größten Messausschlag wird dann die Position des Wirbels ermittelt.
Dieses Vorgehen hat jedoch den entscheidenden Nachteil, dass grundlegende Parameter des Strömungsmodells im Vorfeld bekannt sein müssen, wie beispielsweise die grobe Lage und die grobe Ausrichtung der Wirbelschleppe, was in der Praxis so nicht immer gegeben ist. Zwar lassen sich diese Parameter grob aus den Flugrichtungen bzw. den Flugtrajektorien anderer Flugzeuge und den vorliegenden atmosphärischen Bedingungen wie Wind und Turbulenzen ableiten. Allerdings ist eine solche Vorhersage der Parameter mit sehr großen Unsicherheiten verbunden und unter Umständen nicht immer ausreichend genau möglich.
In Frehlich, R.; Sharman, R.: „Maximum Likelihood Estimates of Vortex Parameters from Simulated Coherent Doppler Lidar Data”, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Vol. 22, 2005 ist ein Verfahren zur Detektion von Wirbelschleppen beschrieben, das auf einem Wind Tracer Lidar (Lockheed Martin Coherent Technologies) eingesetzt wird. Dabei werden Strömungsgeschwindigkeiten in der transversalen Wirbelebene gemessen, was eine annähernde zweidimensionale Positionsbestimmung der Wirbelkerne ermöglicht. Die Erkennung der räumlichen Ausrichtung der Wirbelschleppe unabhängig von der Messposition und Messausrichtung ist hiermit jedoch nicht möglich, da das Verfahren zwingend die Messung in der transversalen Wirbelebene voraussetzt.
Aufgabe
Im Hinblick hierauf ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem Wirbelströmungen, insbesondere hinsichtlich ihrer räumlichen Lage, unabhängig von der Messposition sicher und vorzugsweise in Echtzeit ermittelt werden können.
Lösung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1. Demnach wird ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Ermitteln einer Wirbelströmung aus Messdaten, die Strömungsmessdatenverläufe von an diskreten Messpositionen erfassten Strömungsmessdaten enthalten, beansprucht, mit den durch eine Recheneinheit ausführbaren Schritten:

– Ermitteln von wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten aus den Strömungsmessdatenverläufen,
– Berechnen eines räumlichen Verlaufes mindestens einer Wirbelachse der Wirbelströmung in Abhängigkeit von den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und der jeweiligen Messposition der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten, und
– Ermitteln der Wirbelströmung in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf der mindestens einen Wirbelachse. gekennzeichnet durch
– Berechnen von in Richtung der mindestens einen Wirbelachse ausgerichteten Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren in Abhängigkeit von den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und deren jeweilige Messpositionen und
– Berechnen des räumlichen Verlaufes der mindestens einen Wirbelachse der Wirbelströmung in Abhängigkeit von den berechneten Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren durch:
– Berechnen der Entfernungen der Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren zu jeweiligen Wirbelkernpositionen in Abhängigkeit von aus den jeweiligen wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten abgeleiteten Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung und einer vordefinierten Zirkulationsstärke der Wirbelströmung,
– Berechnen der Wirbelkernpositionen in Abhängigkeit von den Messpositionen der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten, deren jeweiligen Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren und der jeweils berechneten Entfernung, und
– Berechnen des räumlichen Verlaufes der mindestens einen Wirbelachse in Abhängigkeit von den Wirbelkernpositionen.

Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass zunächst wirbelströmungsinduzierte Strömungsmessdaten aus den Strömungsmessdatenverläufen bestimmt werden. Die Strömungsmessdatenverläufe sind dabei aus einer Vielzahl von an diskreten Messpositionen erfassten Strömungsmessdaten gebildet, so dass sich für verschiedene diskrete Messpositionen entsprechende Strömungsmessdatenverläufe beispielsweise in Messrichtung über die Zeit ergeben. Aus diesen Strömungsmessdatenverläufen lassen sich dann wirbelströmungsinduzierte Strömungsmessdaten bestimmen, die sich je nach Wirbelströmung charakteristisch in den jeweiligen Strömungsmessdatenverlauf zeigen und somit wirbelströmungsinduzierte Strömungskomponenten enthalten.
Anschließend wird der räumliche Verlauf mindestens einer Wirbelachse der Wirbelströmung berechnet bzw. rekonstruiert, und zwar unter Berücksichtigung der zuvor bestimmten wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und den jeweiligen Messpositionen, an denen die wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten gemessen wurden. Aus den Strömungsmessdaten und der jeweiligen Messposition lässt sich dann der räumliche Verlauf der Wirbelachse ableiten. Anschließend kann dann die Wirbelströmung in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf ermittelt werden.
Somit wird es möglich, dass Wirbelströmungen unabhängig von zuvor bekannten Parametern eines Wirbelströmungsmodells oder unabhängig von der Messausrichtung bezüglich der Wirbelströmung in Echtzeit ermittelbar sind. So kann eine Vorrichtung, die ein derartiges Verfahren implementiert, auf einem Flugzeug angeordnet werden, so dass das Flugzeug Wirbelströmungen in Flugrichtung, d. h. vor dem Flugzeug erfassen kann. Hierfür tastet ein bordgestützter Sensor einen zweidimensionalen Messschirm vor dem Flugzeug ab. Auf diesem Messschirm befinden sich räumlich diskret verteilte Messpunkte, die regelmäßig von dem Sensor abgetastet werden. Während sich die entsprechenden räumlichen Messpositionen der einzelnen Messpunkte mit der Flugzeuggeschwindigkeit räumlich vorwärts bewegen, werden für jeden einzelnen Messpunkt zeitliche Verläufe der gemessenen Strömungsdaten aufgezeichnet. Aus diesen Strömungsmessdatenverläufen an den einzelnen Messpunkten lassen sich dann die wirbelströmungsinduzierten Strömungskomponenten ermitteln.
Die an den diskreten Messpositionen erfassten Strömungsmessdaten sind vorteilhafterweise die in Messrichtung gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten an den jeweiligen diskreten Messpositionen, die auch als ΔLoS-Geschwindigkeiten bezeichnet werden. Die Strömungsmessdatenverläufe enthalten dann die an den diskreten Messpositionen erfassten Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung über den zeitlichen Verlauf.
Das Bestimmen der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten aus den Strömungsmessdatenverläufen erfolgt dabei vorteilhafterweise derart, dass in den einzelnen Strömungsmessdatenverläufen nach Extremwerten gesucht wird, die sich eindeutig auf wirbelströmungsinduzierte Strömungsmessdaten zurückführen lassen. Wurde ein solcher Strömungsmessdatenverlauf aufgefunden, der eine solche charakteristische Wirbelschleppensignatur in den Strömungsmessdaten aufweist, so können die in dem Strömungsmessdatenverlauf enthaltenen Extremwerte als die wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten ermittelt werden.
Die Berechnung des räumlichen Verlaufes der Wirbelachse in Abhängigkeit von den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und der jeweiligen Messposition erfolgt dabei durch das Berechnen von in Richtung der mindestens einen Wirbelachse ausgerichteten Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren. Die Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren lassen sich dabei aus den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und deren jeweilige Messposition ableiten und zeigen in Richtung der Wirbelachse. So lässt sich vorteilhafterweise durch Drehung Strömungsvektors im Rotationssinn des Wirbels der Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektor generieren, der, ausgehend von der räumlichen Messposition des jeweiligen wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdatum, in Richtung des Wirbelkerns bzw. der Wirbelachse zeigt.
Wurde eine Mehrzahl von wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten aus den Strömungsmessdatenverläufen bestimmt und demzufolge auch eine Mehrzahl von Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren abgeleitet, so lässt sich aus den berechneten Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren der räumliche Verlauf der Wirbelachse der Wirbelströmung berechnen.
Um die Genauigkeit bei der Berechnung des räumlichen Verlaufes mindestens einer der Wirbelachsen anhand der Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren weiter zu erhöhen, wird für jeden der Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren die Entfernung zu einer Wirbelkernposition bzw. zu der jeweiligen Wirbelachse berechnet wird, d. h. die Entfernung von dem jeweiligen wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdatum des jeweiligen Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektors hin zu der Wirbelkernposition, die den Endpunkt des Vektorbetrages repräsentiert. Die Entfernungen werden dabei anhand von den Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung, die von den jeweiligen wirbelinduzierten Strömungsmessdaten abgeleitet werden, und einer angenommenen Zirkulationsstärke der Wirbelströmung berechnet.
Der Betrag eines Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektors kann somit beispielsweise anhand der Formel des Potentialwirbels
ermittelt werden, wobei r die Entfernung zum Wirbelkern, Γ die Zirkulationsstärke und V_φ die tangentiale Strömungsgeschwindigkeit ist. Damit lässt sich jedem wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdatum ein Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektor und eine entsprechende Entfernung des Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektors zum Wirbelkern zuordnen. Zusammen mit der räumlichen Messposition der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten lassen sich nun Wirbelkernpositionen für jedes wirbelströmungsinduziertes Strömungsmessdatum ermitteln, so dass sich anhand der Wirbelkernpositionen der räumliche Verlauf der Wirbelachse ableiten lässt.
Für die Berechnung der Wirbelkernpositionen, wie oben beschrieben, wurde zunächst eine vordefinierte Zirkulationsstärke angenommen. Da sich die Zirkulationsstärke jedoch beispielsweise bei von Flugzeugen induzierten Wirbelströmungen von Flugzeugtyp zu Flugzeugtyp unterscheidet, kann in einem nächsten, iterativen Optimierungsschritt die vordefinierte Zirkulationsstärke an die tatsächlich vorliegende Zirkulationsstärke angepasst werden. Durch iteratives Optimieren der Zirkulationsstärke mittels einer Gütefunktion lässt sich die Zirkulationsstärke derart annähern, dass sich die berechneten Wirbelkernpositionen durch eine Ausgleichsgerade annähern lassen, welche schließlich die Wirbelachse repräsentiert. Da bei dem Optimierungsprozess nur ein einziger Parameter, nämlich die Zirkulationsstärke, angepasst wird, ist die Optimierung auch echtzeitfähig, so dass sich bei kontinuierlich erfassten Messdaten auch kontinuierlich ein Ergebnis berechnen lässt.
Vorteilhafterweise werden die dem Verfahren zugrunde gelegten Messdaten mit Hilfe von Sensoren, beispielsweise Lidar-Sensoren, erfasst, die Messungen von Strömungsgeschwindigkeiten berührungslos in einer definierten Entfernung ermöglichen. Die Strömungsmessdaten werden dabei an diskreten Messpositionen gemessen, beispielsweise in Form von Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung, so genannte ΔLoS-Geschwindigkeiten. Aus vielen solcher an diskreten Messpositionen erfassten Strömungsmessdaten lassen sich dann Strömungsmessdatenverläufe bilden, die aus an diskreten Messpositionen aufeinanderfolgenden Strömungsmessdaten jeweils ermittelt werden.
Mit diesem Verfahren lassen sich insbesondere Wirbelschleppen, die von Flugzeugen verursacht werden, ermitteln, wobei letztendlich nicht nur die räumliche Lage im dreidimensionalen Raum erfasst werden kann, sondern auch die wesentlichen Parameter der Wirbelschleppe, wie beispielsweise die Zirkulationsstärke.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einem Computerprogramm mit Programmcodemitteln, insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert und eingerichtet zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens gelöst, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch gelöst mit einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Wirbelströmung aus Messdaten, die Strömungsmessdatenverläufe von an diskreten Messpositionen erfassten Strömungsmessdaten enthalten, mit einer Recheneinheit, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – Ablaufdiagramm des vorliegenden Verfahrens;
2 – schematische Darstellung des Messschirms mit gleichmäßig verteilten diskreten Messpunkten;
3 – schematische Darstellung der Bildung von Messdatenverläufen;
4 – Darstellung von Messdatenverläufen mit charakteristischer Wirbelsignatur;
5 – schematische Darstellung der Bildung von Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren;
6 – Darstellung des Wirbelverlaufes mit angenommener und vordefinierter Zirkulationsstärke;
7 – berechneter Wirbelverlauf mit gefundener Zirkulationsstärke.
1 zeigt grob den Ablauf des vorliegenden Verfahrens. Im ersten Schritt 11 wird dem Verfahren eine Reihe von Messdaten bzw. Messdatenverläufen bereitgestellt, die beispielsweise, wie später noch gezeigt, mit Hilfe von entsprechenden Sensoren erfasst wurden. Die Messdatenverläufe ergeben sich dabei aus den einzelnen Messdaten an gleicher Messdatenposition.
Im darauf folgenden Schritt 12 werden nun zunächst die einzelnen Messdatenverläufe hinsichtlich ihrer Verlaufsstruktur untersucht. Zeigt der Strömungsmessdatenverlauf eine charakteristische Wirbelströmungssignatur, so wird er gespeichert, damit er dem nächsten Schritt 13 zugrunde gelegt werden kann.
Nachdem alle Strömungsmessdatenverläufe in Schritt 12 hinsichtlich einer charakteristischen Wirbelströmungssignatur hin untersucht wurden, wurde je nach Ausrichtung und Lage der Wirbelströmung eine bestimmte Anzahl von Strömungsmessdatenverläufen gefunden, die eine derartige Wirbelströmungssignatur aufweisen.
Im Schritt 13 werden nun aus jedem Strömungsmessdatenverlauf, der eine charakteristische Wirbelströmungssignatur aufweist, diejenigen Strömungsmessdaten ermittelt, die von der Wirbelströmung induziert wurden und dem weiteren Verfahren zugrunde gelegt werden sollen. Vorteilhafterweise handelt es sich hierbei um einen oder mehrere Extremwerte innerhalb des Strömungsmessdatenverlaufes.
In Schritt 14 wird nun für jede charakteristische Wirbelströmungssignatur der Messdatenverläufe ein Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektor aus den zuvor ermittelten wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten berechnet. Die Berechnung des Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektors erfolgt dabei in Abhängigkeit von der jeweiligen Messposition bzw. der daraus ableitbaren Messrichtung (bzw. der entsprechenden Messachse, entlang derer ein aufgezeichneter Extremwert gemessen wurde), ausgehend von dem Messsensor durch Drehung des Strömungsvektors in der transversalen Wirbelebene im Rotationssinn der vorliegenden Wirbelströmung. Ausgehend von der Messposition der einzelnen wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten zeigt der Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektor in Richtung des Wirbelkerns bzw. der Wirbelachse.
Die Kernrichtungsvektoren werden nun im Schritt 15 zur Berechnung von Wirbelkernpositionen herangezogen. Hierfür wird zunächst die Entfernung eines wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdatums entlang des Kernrichtungsvektors zum Wirbelkern berechnet. Die Berechnung der Entfernung erfolgt dabei anhand einer angenommenen und vordefinierten Zirkulationsstärke der Wirbelströmung und dem Extremwert der Strömungsgeschwindigkeit, die an der Messposition gemessen wurde (ΔLoS-Geschwindigkeit). Aus der Messposition der wirbelinduzierten Strömungsmessdaten, dem Kernrichtungsvektor sowie der jeweiligen Entfernung lässt sich dann eine Wirbelkernposition im Raum berechnen, und zwar für jedes wirbelinduzierte Strömungsmessdatum, das zuvor in Schritt 13 als relevant erachtet wurde.
Unter Kenntnis der Wirbelkernpositionen wird nun in Schritt 16 eine Ausgleichsgerade berechnet, welche die Wirbelkernpositionen grob annähert. Dabei zeigt sich, dass die einzelnen Wirbelkernpositionen sich nicht exakt mit einer Ausgleichsgeraden verbinden lassen, was auf die vordefinierte und grob angenommene Zirkulationsstärke der Wirbelströmung zurückzuführen ist.
Daher wird im darauf folgenden Schritt 17 unter Anwendung eines iterativen Optimierungsprozesses mittels einer Gütefunktion die Zirkulationsstärke an die wahre Zirkulationsstärke der Wirbelströmung derart angepasst, dass sich die Wirbelkernpositionen mit einer Ausgleichsgeraden verbinden lassen und die Ausgleichsgerade somit die wahre Wirbelachse repräsentiert.
Aus der so berechneten Wirbelachse und der Zirkulationsstärke lässt sich somit die Wirbelströmung hinsichtlich der Lage und des Verlaufes ableiten, so dass sie beispielsweise für die Detektion an Board eines Flugzeuges verwendet werden kann.
Um die Strömungsmessdatenverläufe der Wirbelströmung zu erhalten, werden zunächst Strömungsmessdaten an diskreten Messpunkten ermittelt. 2 zeigt schematisch einen Messschirm mit gleichmäßig verteilten diskreten Messpunkten. Im Beispiel der 2 liegt der Messschirm 21 in Flugrichtung vor einem Flugzeug 22, wobei der Messschirm 21 eine Breite von +/–40° und eine Höhe von +/–30° aufweist. Mit Hilfe eines an dem Flugzeug 22 angeordneten Sensors, beispielsweise einem Lidar- oder Radar-Sensor, werden an den diskreten Messpunkten 23 Strömungsgeschwindigkeiten der Luftströmung in Messrichtung ermittelt. Mit Hilfe derartiger Sensoren lassen sich, beispielsweise nach dem Prinzip des Doppler-Effektes, axiale Strömungsgeschwindigkeiten von Luftströmungen messen, indem ein Laserstrahl in Messrichtung ausgesendet wird, der von entsprechenden Schwebeteilchen (Aerosolen, Hydrometeoren) und/oder den Luftmolekülen selber reflektiert wird. Anhand einer Frequenzverschiebung der reflektierten Wellen kann dann entsprechend des Doppler-Effektes die axiale Geschwindigkeit der Strömung an der Messposition ermittelt werden. Allerdings lassen sich damit nur Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung ermitteln, so dass ein solcher Sensor in der Regel Strömungsgeschwindigkeiten orthogonal zur Messrichtung mit dieser Technik nicht messbar kann.
Die an den diskreten Messpunkten 23 gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung werden auch als ΔLoS-Geschwindigkeiten (LoS: Line of Sight) bezeichnet.
Um nun Strömungsmessdatenverläufe bilden zu können, werden an jedem diskreten Messpunkt 23, beispielsweise an dem diskreten Messpunkt 23d, eine Vielzahl von Strömungsmessdaten an aufeinanderfolgenden Messpunkten 23d ₁ bis 23d ₄ mit Hilfe des Sensors erfasst, wobei die Anzahl der aufeinanderfolgenden Messpunkte an einem diskreten Messpunkt (23d) nicht auf vier beschränkt sind, wie dies in 3 zu Anschauungszwecken gezeigt ist.
Befinden sich die Sensoren zum Erfassen der Strömungsmessdaten in einem Objekt, welches sich mit einer Geschwindigkeit vorwärts bewegt, so verschiebt sich mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Objektes 22 ebenfalls der Messschirm 21 bei gleich bleibender Messentfernung zwischen Sensor und Messschirm 21, so dass sich für jeden diskreten Messpunkt 23 eine Vielzahl von Strömungsmessdaten ergeben, die bezüglich ihrer Messrichtung alle in dieselbe Richtung zeigen. In Abhängigkeit von diesen Strömungsmessdaten, die an aufeinanderfolgenden Messpositionen 23d ₁ bis 23d ₄ gemessen wurden, wird nun ein Messdatenverlauf für diese diskrete Messposition 23d gebildet, so wie dies in 4 beispielhaft für zwei ausgewählte diskrete Messpositionen gezeigt ist.
Mit anderen Worten, mit Hilfe eines entsprechenden Sensors wird sequentiell ein zweidimensionaler Messbereich bzw. Messschirm vor dem Objekt 22 abgetastet, wobei, wenn sich das Objekt einer Wirbelströmung nähert, der Messschirm sich über die Wirbelströmung hinwegbewegt und somit die entsprechenden charakteristischen Strömungsmessdatenverläufe erzeugt.
4 zeigt zwei ausgewählte Strömungsmessdatenverläufe 43d und 43g an den Messpositionen 23d und 23g. Der Strömungsmessdatenverlauf 43d wurde dabei aus den Strömungsmessdaten, die an den aufeinanderfolgenden diskreten Messpositionen 23d ₁ bis 23d ₄ erfasst wurden, gebildet. Das Gleiche gilt für den Strömungsmessdatenverlauf 43g.
In beiden Strömungsmessdatenverläufen 43d und 43g ist eine charakteristische Wirbelströmungssignatur zu erkennen, die in der Regel aus zwei Extremwerten von Strömungsmessdaten 41 ₁, 41 ₂, 42 ₁ und 42 ₂ besteht. Dabei wurde erkannt, dass sich aus dem zeitlichen Verlauf der Strömungsmessdaten, so wie sie sich in 4 darstellen, auf die wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten geschlossen werden kann, die zur Berechnung der Wirbelströmung verwendet werden können. Die Erkennung von derartigen Extremwerten 41 ₁, 41 ₂, 42 ₁, 42 ₂ kann dabei leicht mit Hilfe einer Recheneinheit mathematisch durchgeführt werden, so dass das System zur Erkennung der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten auch echtzeitfähig ist.
Aus den genannten Extremwerten 41 ₁, 41 ₂, 42 ₁ und 42 ₂ der Strömungsmessdatenverläufe 43d und 43g lassen sich somit zumindest vier wirbelströmungsinduzierte Strömungsmessdaten ableiten, welche letztendlich die Strömungsgeschwindigkeit in Messrichtung, die so genannten ΔLoS-Geschwindigkeiten (ΔV_LoS[m/s]) sind.
So werden beispielsweise bei einer Messanordnung, wie in 2 gezeigt, die Messrichtungen um die horizontale Ebene herum ausgerichtet, so dass primär auch horizontale Strömungskomponenten gemessen werden. Beim Passieren einer Wirbelschleppe, die aus zwei gegenläufig rotierenden Einzelwirbeln besteht, enthält der Strömungsmessdatenverlauf einer Messrichtung in der Regel auch zwei Extremwerte unterschiedlichen Vorzeichens, wie dies beispielsweise in dem Strömungsmessdatenverlauf 43d dargestellt ist. Diese werden jeweils von den beiden gegensätzlich rotierenden Wirbeln induziert. Vereinzelt treten aber auch zwei Extremwerte gleichen Vorzeichens auf, wie dies beispielsweise in dem Strömungsmessdatenverlauf 43g gezeigt ist, bei dem sich die Messposition zwischen beiden Wirbeln hindurchbewegt haben und hier zunächst unterhalb des rechten Wirbels und anschließend oberhalb des linken Wirbels eine negative, also auf das Messobjekt zuströmende Komponente gemessen haben. In seltenen Fällen können aber auch bis zu vier Extremwerte in einem Messdatenverlauf entsprechend dem bekannten „W-Profil” der vertikalen Strömungsgeschwindigkeiten in der Wirbelschleppe auftreten. Dies ist der Fall, wenn die Trajektorie in ausreichendem Abstand oberhalb bzw. unterhalb der Wirbelschleppe entlang läuft und so die Messrichtung in den unteren bzw. oberen Messzellen des Messschirmes ausreichend große Vertikalgeschwindigkeiten messen können.
Durch die Verwendung der Extremwerte in den Strömungsmessdatenverläufen 43d, 43g werden dabei all jene Strömungskomponenten eliminiert, die für eine Berechnung nicht hinreichend genau sind oder die von der Wirbelströmung nicht induziert wurden und allgemeines Messrauschen darstellen. Ein Extremwert in den Messdaten tritt dabei immer dann auf, wenn die Projektion der jeweiligen Messrichtung in die Wirbelebene (Ebene senkrecht zur Wirbelachse) tangential zur kreisförmigen Wirbelströmung ausgerichtet ist und sich der Messpunkt des Sensors dabei im gemeinsamen Berührungspunkt befindet.
Bereits anhand der geometrischen Messpositionen, an denen die Extremwerte der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten gemessen wurden, lassen sich Lage und Verlauf der Wirbelachse in der horizontalen Ebene bereits gut annähern, so dass dies bereits eine grobe Bestimmung des Azimutwinkels ψ ermöglicht.
5 zeigt schematisch die Zusammenhänge der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und der Wirbelströmung bzw. des Wirbels 51. Dabei wurden an den Sensorpositionen x₁, x₂ und x₃ wirbelströmungsinduzierte Strömungsmessdaten 52 ₁, 52 ₂, und 52 ₃ an jeweils unterschiedlichen Messpunkten des Messschirmes gemessen. Auf Basis des zuvor bestimmten Azimutwinkels lassen sich die an den entsprechenden Messpositionen erfassten axialen Strömungsgeschwindigkeiten in die transversale Wirbelebene (Ebene senkrecht zur jeweiligen Wirbelachse) rückprojizieren. So können die tatsächlich auftretenden Strömungsvektoren V_φ,peak, die in der Wirbelebene liegen, bestimmt werden. Jeder Strömungsvektor zeigt dabei in Richtung der lokalen Strömungsrichtung.
Werden diese Strömungsvektoren V_φ,peak nun um 90° im Rotationssinn des Wirbels gedreht, so zeigen sie direkt in Richtung des Wirbelkerns des Wirbels 51. Aus den erzeugten Strömungsvektoren V_φ,peak an den Messpositionen der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten lässt sich somit ein Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektor 53 ableiten, der in Richtung des Wirbelkerns des Wirbels 51 zeigt und somit in Richtung der Wirbelachse.
Um nun die exakte Position des Wirbelkerns zu ermitteln, wird die Entfernung von der Messposition des wirbelinduzierten Strömungsmessdatums 52 ₁ bis 52 ₃ entlang des jeweiligen Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektors 53 zum Wirbelkern des Wirbels 51 berechnet, beispielsweise mittels des Potentialwirbelmodells und dem Betrag des Strömungsvektors
wobei Γ die Zirkulationsstärke r der Abstand bzw. die Entfernung zum Wirbelkern ist. Die Zirkulationsstärke des Wirbels 51 wird dabei vordefiniert bzw. abgeschätzt, wobei sich hieraus noch nicht die exakte, sondern nur eine annähernde Wirbelkernposition ergibt.
In 6 ist der angenäherte Wirbelverlauf aus den ermittelten Kernpositionen für die Seitenansicht gezeigt, wobei für jede Messposition der wirbelströmungsinduzierten Strömungsdaten 52 ₁ bis 52 ₃ jeweils eine Kernposition 61 ₁ und 61 ₃ berechnet wurde. Anschließend wurde mit einer Geraden 62 der Wirbelverlauf aus den berechneten Kernpositionen 61 ₁ bis 61 ₃ und der angenommenen Zirkulationsstärke Γ berechnet. Wie zu erkennen ist, weicht der berechnete Wirbelverlauf 62 deutlich von dem wahre Wirbelverlauf 63 ab, was auf die nur ungenau angenommene vordefinierte Zirkulationsstärke Γ zurückzuführen ist.
Um nun den berechneten Wirbelverlauf dem wahren Wirbelverlauf weiter anzunähern und somit die Genauigkeit des Ermittlungsverfahrens zu erhöhen, wird mit Hilfe einer Optimierungsschleife iterativ der Zirkulationswert Γ über eine Gütefunktion angepasst. Dies erfolgt derart, dass sich die berechneten Kernpositionen bestmöglich durch eine Ausgleichsgerade (lineare Regression) annähern lassen, so wie dies in 7 als Endergebnis des Optimierungsprozesses gezeigt ist. Anhand der Ausgleichsgeraden lässt sich nun der räumliche Verlauf der Wirbelströmung ableiten. Außerdem liegt aus dem Optimierungsprozess nun auch ein Ergebnis für die Zirkulationsstärke der Wirbelströmung vor.
Demnach wurde der räumliche Verlauf mindestens einer Wirbelachse der Wirbelströmung in Abhängigkeit von den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und der jeweiligen Messposition der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten sowie einer vordefinierten Zirkulationsstärke Γ der Wirbelströmung berechnet.
Da während des Optimierungsschrittes letztendlich nur ein einziger Parameter, nämlich die Zirkulationsstärke Γ, angepasst wird, ist das Verfahren auch hinsichtlich der Gütefunktion relativ übersichtlich, so dass auch das gesamte Verfahren grundsätzlich echtzeitfähig ist. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass ein derartiges Verfahren mittels Sensoren, die auf einem Flugzeug angeordnet sind, auch bordseitig durchgeführt werden kann und somit Wirbelschleppen im Einflugbereich des Flugzeuges sicher und schnell auffinden kann. Dies ist Voraussetzung, um die Daten beispielsweise für ein bordseitiges Warnsystem oder ein automatisches Flugsteuersystem verwenden zu können.
Im obigen Beispiel wurde die Zirkulationsstärke mit einem Wert Γ = 3.000 m²/s deutlich zu groß vordefiniert, wodurch die Kernpositionsvektoren deutlich zu lang berechnet werden und sich nur sehr schlecht mit einer Geraden verbinden lassen, wie in der Seitenansicht von 6 gezeigt ist. Erst durch den iterativen Optimierungsschritt wurde die Zirkulationsstärke mit Γ = 884 m²/s ermittelt, so dass sich die Kernpositionsvektoren nunmehr annähernd mit einer Geraden verbinden lassen, wie 7 zeigt.

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Wirbelströmung aus Messdaten, die Strömungsmessdatenverläufe (43) von an diskreten Messpositionen (23) erfassten Strömungsmessdaten enthalten, mit den durch eine Recheneinheit ausführbaren Schritten: – Ermitteln von wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten (41, 42) aus den Strömungsmessdatenverläufen (43), – Berechnen eines räumlichen Verlaufes mindestens einer Wirbelachse (62) der Wirbelströmung in Abhängigkeit von den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten (41, 42) und der jeweiligen Messposition (23) der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten (41, 42), und – Ermitteln der Wirbelströmung in Abhängigkeit von dem räumlichen Verlauf (62) der mindestens einen Wirbelachse gekennzeichnet durch – Berechnen von in Richtung der mindestens einen Wirbelachse ausgerichteten Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren (53) in Abhängigkeit von den wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten und deren jeweiligen Messpositionen und – Berechnen des räumlichen Verlaufes der mindestens einen Wirbelachse der Wirbelströmung in Abhängigkeit von den berechneten Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren (53) durch: – Berechnen der Entfernungen der Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren zu jeweiligen Wirbelkernpositionen in Abhängigkeit von aus den jeweiligen wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten abgeleiteten Strömungsgeschwindigkeiten in Messrichtung und einer vordefinierten Zirkulationsstärke (Γ) der Wirbelströmung, – Berechnen der Wirbelkernpositionen in Abhängigkeit von den Messpositionen der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten, deren jeweiligen Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren und der jeweils berechneten Entfernung, und – Berechnen des räumlichen Verlaufes der mindestens einen Wirbelachse in Abhängigkeit von den Wirbelkernpositionen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ermitteln von Extremwerten (41 ₁, 41 ₂, 42 ₁, 42 ₂) der in den Strömungsmessdatenverläufen (43) enthaltenen Strömungsmessdaten und Bestimmen der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten in Abhängigkeit von den ermittelten Extremwerten der Strömungsmessdatenverläufe.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Abschätzen des räumlichen Verlaufes der mindestens einen Wirbelachse, insbesondere in der horizontalen Ebene, in Abhängigkeit von den Messpositionen der wirbelströmungsinduzierten Strömungsmessdaten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln einer wahren Zirkulationsstärke (Γ) der Wirbelströmung ausgehend von der vordefinierten Zirkulationsstärke (Γ) durch iteratives Optimieren der Zirkulationsstärke (Γ) mittels einer Gütefunktion derart, dass sich die Wirbelkernpositionen der Wirbelströmungs-Kernrichtungsvektoren durch eine die mindestens eine Wirbelachse repräsentierende Ausgleichsgerade annähern lassen, und Ermitteln der Wirbelströmung weiter in Abhängigkeit von der wahren Zirkulationsstärke.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Messen von Strömungsmessdaten an diskreten Messpositionen mittels Sensoren und Ermitteln von Strömungsmessdatenverläufen, die jeweils aus Strömungsmessdaten von in Messrichtung aufeinanderfolgenden Messpositionen gebildet sind.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, insbesondere auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
Vorrichtung zum Ermitteln einer Wirbelströmung aus Messdaten, die Strömungsmessdatenverläufe von an diskreten Messpositionen erfassten Strömungsmessdaten enthalten, mit einer Recheneinheit, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Sensor zum Ermitteln von Strömungsmessdaten an diskreten Messpositionen aufweist und mit der Recheneinheit verbunden ist, wobei die Recheneinheit zum Bilden von Strömungsmessdatenverläufen aus den an jeweils in Messrichtung aufeinanderfolgenden Messpositionen gemessenen Strömungsmessdaten eingerichtet ist.