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TU Berlin

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Aerothermodynamik

Infrarotbasierte Visualisierung und Quantifizierung von Wandschubspannungsfeldern

In diesem Forschungsbereich werden unterschiedliche Verfahren zur Visualisierung und Quantifizierung von Wandschubspannungsfeldern entwickelt. Die Techniken basieren auf der Analogie zwischen Impuls- und Wärmetransport in der Grenzschicht, die aussagt dass die Oberflächentemperatur einer umströmten Struktur mit der Wandschubspannung korreliert.

Wandschubspannungsvisualisierung

Da Impuls- und der Wärmetransport in der Grenzschicht eng miteinander verknüpft sind, kann die inhomogene Oberflächentemperatur einer beheizten, umströmten Struktur zur Visualisierung der Wandschubspannungsverteilung verwendet werden. Das Grundprinzip des entwickelten Verfahrens ist in Abbildung 1 dargestellt. Eine beheizbare Struktur, bestehend aus einer Heizmatte, zwei Kupferplatten und einer schwarzen PVC-Schicht auf der Oberseite wird auf die zu untersuchende Oberfläche aufgebracht. Das entstehende inhomogene Oberflächentemperaturfeld wird mit einer Infrarotkamera aufgenommen und mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen zur Wandschubspannungsvisualisierung verwendet.

Abbildung 1: Prinzipbild des Verfahrens zur Visualisierung von Wandschubspannungsfeldern
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Abbildung 2 und 3 zeigen Anwendungen des Visualisierungsverfahrens am Beispiel von Zylinderstumpfumströmungen. In Abbildung 2 ist die Wirbelstraße im Nachlauf eines Zylinders zu sehen, in Abbildung 3 sind die Visualisierungen der Grundströmung um einen Zylinderstumpf und der Strömung über das freie Ende Ölanstrich-Visualisierungen gegenüber gestellt.

Abbildung 2: Wirbelstraße im Nachlauf einer freien Zylinderumströmung
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Abbildung 3: Gegenüberstellung von Infrarot-Visualisierungen und Ölanstrichbildern
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Thermal-Tuft-Sensoren

Dieses Verfahren zur Wandschubspannungsmessung basiert ebenfalls auf der Analogie von Impuls- und Wärmetransport in der Grenzschicht. Anstatt eine gesamte Oberfläche zu heizen (wie bei dem Visualisierungsverfahren) wird hier lediglich punktuell geheizt. Ein Thermal-Tuft-Sensor ist somit prinzipiell ein kleiner beheizter Punkt auf einer Oberfläche. Für den Fall der freien Konvektion (keine Strömung) würde sich das Temperaturfeld um den Sensor konzentrisch ausbilden. Wird der Sensor jedoch umströmt, verformt sich das Temperaturfeld und nimmt eine charakteristische, tropfenähnliche Form an, die in Strömungsrichtung zeigt. Diese Temperaturverteilung korreliert mit der Wandschubspannung und ermöglicht zudem auch die Bestimmung der Wandschubspannungsrichtung.
Um experimentell einen kleinen beheizten Punkt herzustellen, wird eine dünne Kupferspirale auf eine doppelseitige Platine geätzt und eine Spannung angelegt (siehe Abbildung 4). Somit entsteht um die Spirale herum ein heißer Punkt. Das Temperaturfeld des Sensors wird mit einer Infrarotkamera aufgenommen. Abbildung 5 zeigt das Temperaturfeld um einen Thermal-Tuft-Sensor für zwei unterschiedliche Wandschubspannungen. Der Einfluss der Wandschubspannung auf die Temperaturverteilung ist hier gut zu erkennen, die maximale Temperatur sinkt mit steigender Wandschubspannung und das Temperaturfeld zieht sich zusammen. Durch Auswertung des Flächenintegrals der Temperaturverteilung lässt sich eine Kalibrationskurve erstellen, die das Temperaturfeld mit der Wandschubspannung verknüpft. In Abbildung 6 sind solche Kalibrationskurven für unterschiedliche Heizleistungen des Sensors dargestellt.

Abbildung 4: Prinzipbild eines Thermal-Tuft-Sensors
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Abbildung 5: Temperaturverteilung um einen Thermal-Tuft-Sensor für zwei Wandschubspannungen
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Abbildung 6: Kalibrationskurven eines Thermal-Tuft-Sensors für unterschiedliche Heizleistungen
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