Der Fluss der Innovation

Das Hydraulics Lab der Georgia Tech untersucht die Dynamik von Umweltströmungen in verschiedenen MINT-Disziplinen

Ein dünner Wasserstrahl spritzt aus einer losen Verbindung eines PVC-Rohrs und spritzt auf den Boden. "Ist das in Ordnung?" fragt jemand und zeigt auf den Miniaturbruch.

Andy Udell, leitender Facility Manager der School of Civil and Environmental Engineering (CEE), wirft einen Blick auf die Verschüttung und zuckt mit den Schultern. „Nein. Aber das ist in Ordnung. Im Hydrauliklabor sollte Wasser auf dem Boden stehen.“

Wenn Sie das Hydraulics Lab von CEE betreten, das sich an der Seite des Jesse W. Mason Building befindet, werden Sie von der schieren Größe von 13.000 Quadratmetern beeindruckt sein. Die weitläufigen Decken umrahmen ein Netzwerk aus sich kreuzenden blauen Rohren. Auf der linken Seite befindet sich ein riesiger Tank, umgeben von verschiedenen Lehrgeräten und einer Wand aus alten Artefakten, historischen Kuriositäten, die aus den ehemaligen Laborräumen im alten Gebäude für Bauingenieurwesen transportiert wurden. Auf der rechten Seite ist der Raum durch Drahtzäune unterteilt, wodurch Bereiche für Whiteboards, Werkbänke und Wasserrinnen entstehen, von denen einer bis zu 14 Fuß breit ist.

Unter den sorgfältig konstruierten Forschungsgeräten und Werkbänken befinden sich 20.000 Gallonen Wasser, der Großteil davon befindet sich in einem Sumpf, der sich über das gesamte Labor erstreckt. Das Wasser fließt durch die Deckenrohre in die Experimente und gelangt in einen unterirdischen Cache, der mit dem blauen Tank verbunden ist, der über dem Innenleben des Labors thront. Eine Plattform aus Betonboden und Reihen aus Stahlplatten trennt das Labor vom Wasser.

Udell unterhält seit 1998 das Hydrauliklabor sowie sieben weitere Räume rund um den Campus.

„Das Georgia Tech Hydraulics Lab ist berühmt für die bahnbrechende historische Forschung, die hier im Laufe der Jahre durchgeführt wurde“, sagte Udell. „Es gibt mehrere solcher Einrichtungen im ganzen Land, aber dies ist eine der am besten ausgestatteten Einrichtungen ihrer Art.“

Das Mason Building wurde 1968 errichtet, nachdem CEE über seine bisherigen Einrichtungen im Old Civil Engineering Building mit Blick auf Freshman Hill hinausgewachsen war. Georgia Tech brauchte einen Laborraum für die Forschung im Bereich der Umweltströmungsdynamik, und so wurde das Hydraulics Lab gebaut. Während sich das Labor hauptsächlich auf Umweltthemen konzentriert, ist es ein interdisziplinärer Raum. Studierende und Lehrkräfte aus Maschinenbau, Biologie und vielen anderen Fakultäten auf dem gesamten Campus kommen zum Lernen und zur Teilnahme an der vielfältigen Forschung der Einrichtung.

Eines der ersten Dinge, an denen Studenten und Lehrkräfte beim Betreten des Labors vorbeikommen, ist die Wand voller Artefakte. Links ist ein altes, grünes Multimeter mit vielen Zifferblättern und Knöpfen. Auf einem Regal befindet sich ein seitlicher Ausschnitt einer vertikalen Francis-Turbine. Es wurde für Experimente verwendet, die sich auf den Strahlaufprall konzentrierten.

Alle Artefakte sind in originalen Mahagoni-Ausstellungsregalen untergebracht, die von einem der Laborkoordinatoren im Old Civil Engineering Building gebaut wurden. Mit seiner herausragenden Ausstellung technologischer Artefakte positioniert sich das Labor in der reichen Forschungs- und Innovationsgeschichte der Georgia Tech.

Der unterirdische Sumpf erstreckt sich über den gesamten Umfang des Labors und sammelt Wasser, sobald es die Gerinne verlässt

Das Hauptmerkmal des Hydrauliklabors ist die ständige Wasserversorgung. Die Fluiddynamik konzentriert sich hauptsächlich auf die Strömung von Flüssigkeiten und Gasen, die mithilfe der Wasserströmung modelliert werden kann. Ziel des Labors ist es, den Abfall durch möglichst effiziente Nutzung und Wiederverwertung von Wasser zu begrenzen.

Das in den Experimenten verwendete Wasser stammt aus dem Überkopftank, der über Rohre mit jedem Experiment verbunden ist. Wenn der Tank aktiviert ist, kann die Wasserdurchflussrate bis zu 9.000 Gallonen pro Minute erreichen (das entspricht dem Durchfluss von 3.000 Toiletten gleichzeitig), eine besonders hilfreiche Funktion für einige der großen Flussmodelle, die in der durch Zuschüsse finanzierten Umweltforschung in der Anlage verwendet werden.

Nachdem es durch die Anlage geflossen ist, wird das Wasser wieder in den Sumpf zurückgeführt. Anschließend wird es von einer Pumpe zum Tank geleitet, wo es erneut verwendet wird.

Die sieben Gerinne – tiefe, schmale Kanäle – sind die Hauptausrüstungsgegenstände des Labors. Sie bestehen aus Metall- und transparenten Kunststoffscheiben, die die Bewegung des Wassers beim Durchströmen des Geräts zeigen. Ihre Größe reicht von 15 Fuß bis 80 Fuß Länge, je nach Experiment.

Beispielsweise ist eine mittelgroße Gerinne derzeit mit Steinen und Sedimenten gefüllt. Es wird für einige der größeren Modellexperimente verwendet und enthält ein Modell einer Überlaufstruktur im South Florida Water Management District. Der Überlauf wurde entwickelt, um den Wasserabfluss in ein nahegelegenes Flussbett zu kontrollieren.

Aufgrund fehlerhafter Pläne stellte der Bezirk jedoch Terry Sturm, einem emeritierten CEE-Professor, ein Forschungsstipendium zur Verfügung, um das Design des Überlaufkanals neu zu bewerten. Sturms Labor baute ein Modell auf der Grundlage historischer Daten und nutzte die Rinne, um die Probleme zu reproduzieren, mit denen der Bezirk konfrontiert war. Nach der Durchführung von Simulationen mit unterschiedlichen Ober- und Unterwasserbedingungen lieferte das Georgia Tech-Team dem Bezirk mögliche Lösungen zur Behebung seiner Wasserüberlaufprobleme.

Rund um das Hydraulics Lab sind noch einige weitere ältere Projekte von Sturm angesiedelt. Im größten Gerinne des Labors – 14 Fuß breit und 80 Fuß lang – befinden sich noch immer die Überreste eines Macon-Brückenstandortmodells aus der Forschung des Professors.

Der Überkopftank kann 20.000 Gallonen Wasser speichern und es mit einer maximalen Geschwindigkeit von 9.000 Gallonen pro Minute abgeben.

Eine Laborrinne mit den Überresten eines Standortmodells der Macon-Brücke

Dieses Gerinne enthält ein Modell einer Überlaufstruktur im South Florida Water Management District

Ein Großteil der aktuellen Forschung im Hydrauliklabor findet auf der rechten Seite der weitläufigen Anlage statt, hinter Drahtzaunfluren, die verschiedene Laborgruppen unterteilen. Einer gehört zum Team von Assistenzprofessor Chris Lai. Er untersucht die thermische Fluiddynamik von Gletschereisschmelzen. Laut Lai sind etwa 60 % des beobachteten Meeresspiegelanstiegs der letzten zwei Jahrzehnte auf das Schmelzen des Polareises zurückzuführen. Um zukünftige globale Niveaus genau vorherzusagen, möchte das Labor zunächst die einzigartige Art und Weise verstehen, wie Süßwasser-Gletschereis beim Schmelzen mit salzhaltigem Meerwasser interagiert, indem es die aktuelle polare Umgebung simuliert und die Schmelzrate misst.

Der Aufbau des Labors umfasst einen großen Gefrierschrank zur Erzeugung von simuliertem Gletschereis, einen transparenten Aufbewahrungsbehälter zur Durchführung der Experimente und einen Raum mit einem gepulsten Hochgeschwindigkeitslaser, der zur Messung der Flüssigkeitsgeschwindigkeiten von geschmolzenem Wasser und damit der Schmelzraten verwendet wird Teilchenbildgeschwindigkeitsmessung. Der Raum ist von Wänden aus weißen Aluminiumplatten umschlossen, die von oben bis unten mit Berechnungen mit trocken abwischbaren Markern bedeckt sind, die sich hauptsächlich auf die Details der Experimente beziehen.

Lais Labor nutzt auch eine der mittelgroßen Rinnen, um die Windströmung durch einen Wald zu simulieren und Anwendungen bei der Vorhersage von Waldbrandszenarien zu finden. Dies kann dabei helfen, anhand der Windgeschwindigkeit und der unterschiedlichen Laubdichte zu bestimmen, wie schnell sich ein Feuer ausbreitet. Um eine Waldumgebung genau zu modellieren, druckte das Team 3D-Baummodelle mit dreizackigen fraktalen Ablegern, die als Äste dienten und Baumkronen simulierten.

Da sich Luft und Wasser auf die gleiche Weise bewegen, können Messungen des Wasserflusses durch den Modellwald die Luftbewegung durch einen echten Wald während eines Großbrandes genau vorhersagen. Das Team nutzt die Partikelbild-Velozimetrie, um die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in verschiedenen Bereichen des Waldes zu messen. Lai betont, wie wichtig es ist, den Fluss durch verschiedene Teile des Waldes zu untersuchen, anstatt den Wald als ein unveränderliches Ganzes zu betrachten.

„Unser Experiment untersucht die Strömung auf der obersten Ebene des Waldes, im Blätterdach, und vergleicht diese mit der Strömung am Boden“, sagte Lai. „Das sind die Nuancen, die man untersuchen muss, bevor man sich größeren Fragen zuwendet, etwa wie schnell sich das Feuer insgesamt ausbreitet oder wie viel Kohlendioxid in die Baumkronen freigesetzt wird.“

Lais Labor nutzt eine Wasserrinne für ihre Waldbrandsimulation

Gerinne und Laser sind nicht die einzigen Forschungsgeräte, die im Labor verwendet werden. Angelica Connor, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Labor von CEE School Chair Don Webster, nutzt einen 3D-Bildgebungsaufbau, um die Bewegungs- und Strömungsfelder um frei schwimmendes Zooplankton im Meerwasser zu beobachten.

Connor nutzt einen kleinen, klimatisierten Raum neben dem Hauptraum des Hydrauliklabors, um ihr Bildgebungsgerät zu erstellen – Kameras, die in verschiedenen Winkeln aufgehängt sind und alle auf einen kleinen sechseckigen Tank gerichtet sind, der das Zooplankton enthält. Dieser Aufbau kann eine Reihe von 2D-Bildern aus verschiedenen Winkeln aufnehmen, die es Connor ermöglichen, die 3D-Bewegung von Wasserpartikeln und Zooplankton über einen bestimmten Zeitraum zu berechnen. Sie verwendet außerdem einen Hochleistungslaser für Partikelbild-Velocimetriemessungen und kann Diagramme erstellen, die Daten wie die Schwimmgeschwindigkeit des Zooplanktons und die Strömungsfelder, die sich um sie herum bilden, visualisieren.

Connor hat kürzlich mit winzigen Zooplanktonrobotern experimentiert, die sich mithilfe von Magnetfeldern rund um das Beobachtungsbecken ähnlich wie Unterwasserlebewesen bewegen können. Obwohl sie an der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering studiert, nutzte Connor ihr Maschinenverständnis, um ihren 3D-Bildgebungsaufbau und den Roboter-Zooplankton zu erstellen.

Websters Hauptlabor, das sich in der äußersten linken Ecke des Hydrauliklabors befindet, untersucht auch zweidimensionale Zooplankton-Strömungsfelder und Copepoden-Turbulenz-Wechselwirkungen mithilfe eines Berg-Wirbels.

Connors 3D-Kameraapparat

Das Labor dient nicht nur der Forschung. Ein Großteil der linken Seite der Einrichtung konzentriert sich auf den Grundstudiumsunterricht durch das Donovan Undergraduate Teaching Lab des CEE. In den CEE-Kursen der Oberstufe werden unterschiedliche Aspekte des Flüssigkeitsflusses anhand von Demonstrationen wie Rotöl- und hydraulischen Sprungexperimenten vermittelt. Die Studierenden können verschiedene Messgeräte wie Venturi- und Blendenmessgeräte zur Durchflussmessung verwenden.

„Im Labor wird viel geforscht, nicht nur um das Wissen zu erweitern, sondern auch um Lehr- und Lehrtechniken zu verbessern“, sagte Professor Hermann Fritz. Seine Forschung zu Tsunamis und anderen Naturkatastrophen findet hauptsächlich im Tsunami-Wellenbecken der NHERI-Einrichtung (Natural Hazards Engineering Research Infrastructure) der Oregon State University statt, aber er unterrichtet auch CEE 4200, Wasserbau, das im Hydrauliklabor eine obligatorische Laborkomponente hat .

Studenten im Grundstudium lernen in Kursen wie CEE 4200 den Bereich des Hydrauliklabors kennen

Fritz hat daran gearbeitet, neuere Technologien in die Laborkurse von CEE zu integrieren. Kürzlich hat er die bei der Demonstration des hydraulischen Sprungexperiments verwendeten Messtechniken von eher klassischen Methoden auf eine neuere, kostengünstigere Version der Partikelbild-Geschwindigkeitsmessung aktualisiert. Anstelle von Lasern verwendet Fritz eine faseroptische Lichtfolie, um die Blasen im Wasser zu beleuchten und die Strömungsgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen der Gerinne zu erfassen.

„Klassische Messmethoden müssen bei der Feldarbeit immer noch bekannt sein, aber es ist hilfreich für die Schüler, einen Einblick in räumliche und zeitliche oder aufgelöste Geschwindigkeitsmessungen des Wasserflusses zu bekommen, was ihnen normalerweise nicht möglich wäre“, sagte Fritz .

Berechnungen von Lai und Udell für die Sanierung von Flachwasserbecken