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AerodynamikHeißfilm-Sensorik

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Oberflächenverfahren

Oberflächenheißfilm-Sensorik

Bild 1: Konventionelles Oberflächenheißfilmarray (TAO-Systems)
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Das Fachgebiet befasst sich u. a. mit der Anwendung der Oberflächenheißfilm-Messtechnik zur Erfassung statischer und dynamischer Wandschubspannungen an Strömungskörpern. Insbesondere die Nutzung von Sensorarrays (Bild1, Oberflächenheißfilm-Array) erzeugt Probleme infolge der thermischen Interaktion zwischen benachbarten Sensoren.

Diese thermische Interferenz wird durch zwei Faktoren geprägt: Zum einen ist die Anzahl der Sensoren entscheidend, die stromauf zum betrachteten Sensor betrieben werden, zum anderen ist der Abstand zwischen den Sensoren zu berücksichtigen. Bild 2 zeigt den Einfluss von Sensoranzahl (a-d) und Sensorabstand (e-g) auf die resultierende Temperaturverteilung über einem Oberflächenheißfilmarray.

Bild 2: Temperaturverteilung über einem Oberflächenheißfilmarray
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Oberflächenheißfilme reagieren teilweise sehr empfindlich auf äußere Einwirkungen von z.B. Festköperpartikeln (Schmutzpartikeln) sowie nicht ph-neutralen Fluiden (saurer Regen). Durch die Aufbringung dünner Schutzschichten (t< 1mm, z.B. Siliziumdioxid) kann die Robustheit der Sensoren jedoch deutlich erhöht werden. Bild 3 zeigt die Prinzipskizze eines beschichteten MEMS-Oberflächenheißfilms, der dem ILR im Rahmen eines europäischen Forschungsprojektes (AEROMEMS) von BAE-Systems für Testzwecke zur Verfügung gestellt wurde. Bei der Materialauswahl gewinnen insbesondere solche Substanzen an Bedeutung, die sich leicht verarbeiten lassen und einen Schutz vor Abrasion und UV-Strahlung bieten. Allerdings haben diese sog. "Coatings", in Abhängigkeit von der Schichtdicke, einen dämpfenden Einfluss auf das dynamische Signalverhalten der Sensoren.

Bild 3: Prinzipskizze eines beschichteten MEMS-Oberflächenheißfilms (BAE-SYSTEMS)
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Bild 4 zeigt den Einfluss einer dünnen Siliziumdioxid-Schutzschicht auf die Grenzfrequenz des MEMS-Sensors. Während der dämpfende Einfluss auf die Grenzfrequenz im unteren Geschwindigkeitsbereich deutlich ausgeprägt ist, nimmt dieser Effekt mit steigender Fluidgeschwindigkeit ab.

Bild 4: Grenzfrequenzen von beschichtetem und unbeschichtetem MEMS-Sensor
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Bild 5: Windkanalmodell mit Oberflächenheißfilm- und Oberflächenhitzdrahtarray
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Die Eignung eines konventionellen Senflex-Oberflächenheißfilmarrays (TAO Systems) zur dynamischen Charakterisierung des laminar-turbulenten Grenzschichtumschlags im Vergleich zu einem Oberflächenhitzdrahtarray wurde im Transsonischen Windkanal in Göttingen untersucht. Als Versuchsträger diente dabei ein transsonisches Flügelprofil (Bild 5), das zu diesem Zweck im Rahmen eines EU-Forschungsprojektesmit beiden Sensorarrays instrumentiert wurde.

Bild 6 links zeigt die Leistungsspektren beider Sensoren an der Position bei 16% der Profiltiefe für die Anströmmachzahl M = 0.65. Mit beiden Sensoren lassen sich deutlich die zum Umschlag führenden Tollmien-Schlichting Instabilitäten identifizieren, deren Frequenzen übereinstimmend zwischen 6 und 21 kHz detektiert werden können. Dabei ist die lineare Bindung der Signale im TS-Frequenzband sehr hoch, wie aus der spektralen Kohärenzverteilung (Bild 6 rechts) zu sehen ist. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass sich beide Verfahren sehr gut zur dynamischen Charakterisierung der Grenzschichttransition eignen.

Bild 6: Leistungsspektren (links) und Kohärenzspektren (rechts) für OHD und OHF im Vergleich
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Literatur
Publikationen

Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. W. Nitsche
Janin Leuckert

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