Measurement system to determine the flow behavior of natural hazards like granular media with a laboratory scale chute : Masterarbeit, Management Center Innsbruck

Innsbruck

MCI Innsbruck

2022

41 S.

Ill., graph. Darst.

Monographie

Lit. Ang.

40004172

Messungen von gravitativen Massenbewegungen in der Natur sind eine komplexe Aufgabe, außerdem sind Versuchsgelände und gemessene Daten rar. Betrachtet man Massenbewegungen als granulare Strömungen, so werden häufig skalierte Laborexperimente verwendet, um die Parameter einer granularen Strömung zu untersuchen und zu definieren. Ein Messsystem für skalierte Laborexperimente wird in der vorliegenden Arbeit entwickelt und soll in der Forschung dazu dienen, die Laborergebnisse mit Rechensimulationen und Feldmessungen zu vergleichen. Ziel der Arbeit ist es eine automatisierte 2D Geschwindigkeits- und Höheninformation über die Fläche zu generieren. Weiters sollen Schwingungen, ausgelöst durch die manuelle Öffnung des Granulateinlasses, verringert werden und das Messsystem synchronisiert werden. Zur Bestimmung des Fließverhaltens werden optische Messtechniken wie Optical Flow (OF), Structured Light Illumination (SLI) und analoge Messtechniken wie Punktlaser und Optical Speed Measurement (OSM) Sensoren eingesetzt. Für OF und SLI wird eine Kamera (ZCamE2) mit 160 fps und einer Auflösung von 4K verwendet. Die OF-Berechnung wird mit dem Algorithmus von Farnebäck durchgeführt. Analoge Sensoren wurden vom Vorgängermodell übernommen wobei hierzu neue Post-processing Codes angewendet werden. Messungen zeigen, dass entweder unter gepulstem Licht gemessen werden muss oder unter Annahme der Reproduzierbarkeit der Versuche zwei getrennte Messungen für SLI und OF erfolgen müssen um den Anforderungen der Methoden an die Beleuchtung gerecht zu werden. Aus den eruierten Parametern für den OF ist es möglich Geschwindigkeiten bis zu 31:56ms-1 zu verfolgen. Der SLI wird mit einem 20mW und mit einem 100mW Laser getestet wobei sich herausstellt, dass mindestens ein 100mW Laser von Nöten ist. Durch einen automatisierten Granulateinlass war es möglich die Schwingungen der Rutsche auf ein Minimum zu reduzieren und die Synchronisation des Messsystems zu gewährleisten. Zum Vergleich der skalierten Laborexperimente mit realen Massenbewegungen wird die Froude-Zahl verwendet. Aus den Experimenten lässt sich eine Froude Zahl von 7:09 erreichen was kohäsionslose Kaltschneelawinen oder auch starke Strömungen innerhalb von Pulverschneelawinen simuliert. Das entwickelte Messsystem ist in der Lage räumliches Fließverhalten (Geschwindigkeitsfeld, Höheninformation) zu bestimmen. Durch die Erhöhung der Laserleistung ist es möglich auch den SLI unter einer konstanten Beleuchtung durchzuführen. Ein wichtiger Aspekt, die Gleitgeschwindigkeit des Granulats, konnte mit den verwendeten OSM Sensoren nicht gemessen werden. Daher sind die OSM Sensoren bei zukünftigen Messungen zu überarbeiten.
Measurements of gravitational mass movements in nature is a complex task, moreover test sites and gathered data are rare. Considering mass movements as granular flows, scaled laboratory experiments are often used to investigate parameters of a granular flow. A setup of a chute for such experiments is developed in the presented work and should act in the research field to compare the laboratory results with computational simulations and field measurements. The goal of the work is to generate automated velocity and height information over the surface. Furthermore, oscillations caused by the manual opening of the granulate inlet are to be reduced and the measurement system synchronized. Optical measurement techniques such as Optical Flow (OF), Structured Light Illumination (SLI) and analogue measurement techniques such as point laser and Optical Speed Measurement (OSM) sensors will be used to determine flow characteristics. For OF and SLI, a camera (ZCamE2) with 160 fps and a resolution of 4K is used. OF calculation is performed using Farnebäck’s algorithm. Analog sensors were taken from the previous model, but new post-processing codes were applied. Measurements show that either experiments have to be made under pulsed light or, assuming reproducibility of the experiments, two separate measurements for height and velocity have to be made to meet the requirements of the methods for illumination. From the elicited parameters for the OF, it is possible to track velocities up to 31:56ms-1. The SLI is tested with a 20mW and with a 100mW laser and it turns out that at least a 100mW laser is needed. By using an automated granule inlet, it was possible to reduce the oscillations of the chute to a minimum and to ensure the synchronization of the measurement system. For comparison of the scaled laboratory experiments with real mass movements the Froude number is used. From the experiments, a Froude number of 7:09 can be obtained which simulates cohesionless cold snow avalanches or even strong flows within powder snow avalanches. The developed measurement system is able to determine spatiotemporal flow behaviour (velocity field, height information). By increasing the laser power it is also possible to perform the SLI under constant illumination. An important aspect, the sliding velocity of the granules, could not be measured with the used OSM sensors. Therefore, the OSM sensors have to be revised for future measurements.
Keywords: Avalanche Chute, Optical Flow, Velocity Profiles, Structured Light Illumination, Particle tracking, Granular media dynamics