Ring-of-Fire - Aerodynamische Messungen unter realen Bedingungen für eine hochpräzise 3D-Strömungserfassung

Der „Ring-of-Fire“ (RoF) ist ein fortschrittliches aerodynamisches Messkonzept, das entwickelt wurde, um hochauflösende Strömungsdaten um sich bewegende Objekte unter realen Bedingungen zu erfassen. Es ermöglicht Forschern und Ingenieuren, vollständige Nachlaufstrukturen und transiente aerodynamische Effekte zu beobachten, die in herkömmlichen stationären Windkanalanlagen nur schwer nachzubilden sind.

Das von der Aerodynamics Group an der TU Delft entwickelte Ring-of-Fire-Konzept wird von LaVision kommerziell unterstützt und vertrieben und bietet ein leistungsstarkes Werkzeug für die experimentelle Strömungsdynamik und die CFD-Validierung.

Konzeptübersicht

Bei der RoF-Methode durchläuft die Testobjekt den stationären Messabschnitt. Innerhalb dieses Abschnitts definiert ein breiter Lichtstreifen das eigentliche Messvolumen, in dem Tausende winziger, mit Helium gefüllter Seifenblasen (HFSB) die Strömungsbewegung nachzeichnen. Der Messbereich ist zudem mit Hochgeschwindigkeitskameras ausgestattet, die das von den Blasen gestreute Licht erfassen. Alle Geräte werden über die DaVis-Software von LaVision synchronisiert und gesteuert. Während sich das zu untersuchende Objekt, beispielsweise ein Auto, ein Ball oder ein Tiermodell, durch den Messabschnitt bewegt, erstellt das System eine vollständige aerodynamische „Momentaufnahme“ des umgebenden Strömungsfeldes.

Automobil-Aerodynamik

Das Ring-of-Fire-System (RoF) liefert detaillierte Einblicke in die komplexen Nachlaufstrukturen, die von fahrenden Fahrzeugen erzeugt werden, und unterstützt Ingenieure dabei, die aerodynamische Leistung zu optimieren. Von der Steigerung des Anpressdrucks und der Kurvenstabilität im Motorsport bis hin zur Verringerung des Luftwiderstands und der Verlängerung der Reichweite bei Elektrofahrzeugen – diese Messungen tragen zur Entwicklung schnellerer und effizienterer Fahrzeugkonstruktionen bei.

• Detaillierte Analyse der Nachlaufstruktur hinter Fahrzeugen in Originalgröße über eine Strecke von mindestens 10 Fahrzeuglängen
• Untersuchung von Luftwiderstandsquellen und Strömungsablösung
• Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen Abtrieb und Nachlauf (z. B. im Motorsport)
• Validierung von CFD-Modellen unter realistischen Fahrbedingungen
• Aerodynamik von Fahrzeugen im Platooning

Sportaerodynamik

Durch die Erfassung der Luftströmung und der Nachlaufstrukturen um sich bewegende Sportler liefert das „Ring-of-Fire“-System (RoF) verwertbare aerodynamische Daten zur Optimierung von Körperhaltung, Ausrüstung und Rennstrategien, wobei bereits geringfügige Verringerungen des Luftwiderstands zu Wettbewerbsvorteilen führen können.

• Sportaerodynamik (Fußball, Radsport usw.) 
• Projektilbewegung und Nachlaufdynamik 
• Transiente Strömungsphänomene bei hohen Geschwindigkeiten 
• Wechselwirkungen bei Gruppen- oder Kolonnentests

Biologische Fortbewegung

In Studien zum Vogelflug stellt das Ring-of-Fire-System (RoF) ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erfassung und Analyse komplexer Luftströmungsstrukturen um frei fliegende Tiere dar. So hat beispielsweise die von Prof. Bomphrey und Prof. Usherwood vom Royal Veterinary College London durchgeführte Studie bisher unbekannte aerodynamische Merkmale im Nachlauf frei fliegender Vögel aufgedeckt, darunter Auftrieb erzeugende Schwanzwirbel und unerwartete Abwindstrukturen. Diese Erkenntnisse inspirieren die Entwicklung bioinspirierter Flugzeugkonstruktionen der nächsten Generation.

• Strömungsstrukturen im Nachlauf von Tragflächen
• Auftriebserzeugung im instationären Flug
• Wechselwirkungen von Wirbelstrukturen in natürlichen Umgebungen

Testumgebungen in der Praxis

Ein entscheidender Faktor für die Durchführung von Ring-of-Fire-Versuchen ist die Verfügbarkeit langer, kontrollierter Teststrecken im Freien. Die Anlage am Catesby-Tunnel hat sich in den letzten Jahren als idealer Standort für aerodynamische Tests auf der Straße etabliert und bietet eine einzigartige 2,7 km lange gerade Teststrecke, ganzjährig konstante atmosphärische Bedingungen sowie minimale Umweltbeeinträchtigungen.

Das „Ring-of-Fire“-Konzept ergänzt herkömmliche Windkanaltests als Teil einer umfassenderen Strategie zur aerodynamischen Messung. Während Windkanäle als Goldstandard für die kontrollierte, grundlegende aerodynamische Charakterisierung dienen, erfassen „Ring-of-Fire“-Tests die 3D-Strömungsdaten unter realen Bedingungen. Zusammen ermöglichen beide Ansätze ein umfassendes Verständnis der Aerodynamik.

Da Berechnungsmodelle immer ausgefeilter werden, wächst der Bedarf an hochwertigen Validierungsdaten aus der Praxis stetig weiter, wodurch sich Ring-of-Fire-Messungen als wichtige Brücke zwischen Simulation und Realität in der modernen Aerodynamikforschung positionieren.

Quellenangaben

Automobil-Aerodynamik

Hüttig, S., Kühn, M., Gericke, T., Bloem, G., Sciacchitano, A., & Akkermans, R. A. D. (2025). On   road vehicle aerodynamics with a large   scale stereoscopic   PIV setup?: “ the Ring of Fire .” Experiments in Fluids, 66, 125.
https://doi.org/10.1007/s00348-025-04025-w

Erdogdu, A. O., Hollis, D., Charogiannis, A., Nila., A., Boaler, J., & Berg, T. (2025). Historic Vehicle Wake Analysis: ‘Ring-of-fire’ PIV Measurements on the Longest Surviving Jaguar E-Type. 21th International Symposium on Flow Visualization, June 21-25, Tokyo, Japan.

Sportaerodynamik

Spoelstra, A., de Martino Norante, L., Terra, W., Sciacchitano, A., & Scarano, F. (2019). On-site cycling drag analysis with the Ring of Fire. Experiments in Fluids, 60(6), 1–16. https://doi.org/10.1007/s00348-019-2737-y 

Spoelstra, A., Terra, W., & Sciacchitano, A. (2023). On-site aerodynamics investigation of speed skating. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 239(May), 105457. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2023.105457

Butcher, D., Morris, J., Hollis, D., Charogiannis, A., Nila, A., & Harland, A. (2024). Aerodynamics of an in-flight football using 3D particle tracking velocimetry. Engineering of Sport 15 - Proceedings from the 15th International Conference on the Engineering of Sport (ISEA 2024). https://doi.org/10.17028/rd.lboro.27044827.v1 

Biologische Fortbewegung

Usherwood, J. R., Cheney, J. A., Song, J., Windsor, S. P., Stevenson, J. P. J., Dierksheide, U., Nila, A., & Bomphrey, R. J. (2020). High aerodynamic lift from the tail reduces drag in gliding raptors. Journal of Experimental Biology, 223(3).
https://doi.org/10.1242/jeb.214809