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TU Berlin

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Oberflächenverfahren

Drucksensitive Copolymerbeschichtung

Bild 1: Prinzip einer drucksensitiven Copolymerbeschichtung
Lupe

Zur räumlich und zeitlich hoch auflösenden Messung von Wandruckschwankungen p’ auf beliebig dreidimensional gekrümmten Oberflächen werden drucksensitive Copolymerbeschichtungen (PSC: Pressure Sensitive Copolymer) eingesetzt. Diese werden als Farbanstrich auf Windkanalmodelle aufgebracht und ermöglichen somit eine störungsfreie, flächige Vermessung der wandnahen Strömung.
Der prinzipielle Aufbau von PSC ist in Bild 1 beispielhaft an einem Flügelprofil gezeigt. Die drucksensitive Beschichtung basiert auf den piezoelektrischen Eigenschaften des Copolymers Vinylidenfluorid und Trifluorethylen. Dieses Copolymer wird auf den Strömungskörper gesprüht und erhält seine ferroelektrischen Eigenschaften in einem Polarisationsprozess. Durch die Ausnutzung des direkten piezoelektrischen Effektes wird bei der strömungsmesstechnischen Anwendung, die Erfassung der Wanddruckschwankungen auf diskreten PSC-Flächen als elektrisch messbare Spannungsänderungen ermöglicht.
Zur Detektion der instationären Zylinderumströmung wurde ein auf einer ebenen Platte montierter Zylinderstumpf (H/D=2) sowie dessen Nachlaufgebiet großflächig mit PSC ausgestattet (Bild 2a). Das alternierende Auftreten und Abschwimmen der Wirbelzentren im Zylindernachlauf ist in Bild 2b) gezeigt. Außerdem ist die Bewegung der abschwimmenden Wirbelkerne in Richtung der Mittelachse erkennbar.

Bild 2: a) Instrumentierung eines Zylinders und dessen Nachlaufgebiet mit PSC, b) Phasengemitteltes normiertes Messsignal
Lupe

Darüber hinaus können die Maxima der abschwimmenden Wirbelkerne mit Hilfe der Standardabweichung in Bild 3a) ermittelt werden. Zudem lässt sich die charakteristische Wirbelfolgefrequenz von f = 34Hz durch die Frequenzanalyse in Bild 3b) bestimmen. Im Gegensatz dazu sind vor und neben dem Zylinder keine herausgehobenen Frequenzbereiche feststellbar.

Bild 3: a) Standardabweichung und b) Frequenzanalyse der Zylinderumströmung
Lupe

Zusätzlich zur Charakterisierung von abgelösten Strömungen werden drucksensitive Copolymerbeschichtungen zur Detektion der Grenzschichttransition eingesetzt. Dazu wurden im Rahmen eines EU-Forschungsprojektes Experimente sowohl unter atmosphärischen als auch unter kryogenen Strömungsbedingungen im Pilotwindkanal des European Transonic Windtunnels (PETW) durchgeführt. Zur Detektion der Transitionslage wurde ein 2d Modell mit einer Profiltiefe von 100mm mit PSC (Bild 4) instrumentiert.

Bild 4: Instrumentiertes 2d Modell für Transitionsexperimente im PETW
Lupe

Die Experimente wurden bei einer Anströmmachzahl von M = 0.24 und unterschiedlichen Anstellwinkeln sowie Reynoldszahlen durchgeführt. Der Einfluss des Druckgradienten auf die Transitionslage ist in Bild 5a) dargestellt. Darin sind die RMS-Verteilungen bei einer Re = 1.5∙106 gezeigt. Für den kleinsten Anstellwinkel von
α= 1.0° wird die transitionale Grenzschicht durch den Anstieg der RMS-Werte stromab von x/c > 0.62 charakterisiert. Mit einer Erhöhung des Anstellwinkels wird dieser Anstieg ausgeprägter und zudem stromauf verschoben, so dass sich die Transition für den größten Anstellwinkel von α= 3.5°  bereits stromab von x/c > 0.20 erkennen lässt.

Bild 5: RMS-Verteilungen bei verschiedenen a) Anstellwinkeln und b) Reynoldszahlen
Lupe

Die Abhängigkeit der Transitionslage von der Reynoldszahl ist in Bild 5b) für einen konstanten Anstellwinkel von  = 2.0° gezeigt. Der minimale RMS-Anstieg stromab von x/c > 0.68 für Re = 1.0 ∙106 charakterisiert die frühtransitionale Grenzschicht. Darüber hinaus lässt sich die Stromaufverschiebung der Transition, forciert durch die Reynoldszahlerhöhung, bei einer Reynoldszahl von Re = 3∙106 bereits stromab von
x/c > 0.20 erkennen.



Bild 6: Mit PSC-Schicht ausgestattetes Windkanalmodell
Lupe

Darüber hinaus ist die Eignung einer PSC-Beschichtung zur Stoßlagenerkennung untersucht worden. Als Versuchsträger diente dabei ein transsonisches Laminarprofil, das für Experimente im Transschallkanal des ILR gebaut wurde (Bild 6). Um die Stoßlage sowohl in Strömungsrichtung als auch in Spannweitenrichtunguntersuchen zu können, wurde der Messeinsatz mit einer PSC-Beschichtung instrumentiert. Hierbei basiert die sensitive Schicht von PSC auf 48 Abgriffstellen, die in Strömungs- und Spannweitenrichtung gestaffelt sind.

Bild 7 zeigt die mit der PSC-Beschichtung detektierten RMS-Verteilungen im Vergleich zu den korrespondierenden Schlierenaufnahmen für unterschiedliche Anströmmachzahlen sowohl bei freier als auch bei fixierter Transition. Deutlich erkennbar sind hierin die Unterschiede der Stoßkonfiguration und der Stoßposition für beide Grenzschichtzustände. Insgesamt zeigen die vorliegenden Ergebnisse eine sehr gute Übereinstimmungbei der Erkennung der Stoßlage mit Hilfe der PSC- und Schlierenmethode fürunterschiedliche Anströmbedingungen. Dabei wird der dreidimensionale Charakterder Strömungszustände jedoch erst durch die Visualisierung der PSC-RMS-Amplitudenin Strömungs- und Spannweitenrichtung deutlich.

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