direkt zum Inhalt springen

direkt zum Hauptnavigationsmenü

Sie sind hier

TU Berlin

Page Content

There is no English translation for this web page.

Optische Verfahren

Schlierentechnik

Bild 1: Schlierenaufnahme (Farbschlieren) eines Profilmodells bei transsonischer Anströmung
Lupe

Die Schlierentechnik basiert auf der Lichtbrechung in transparenten Fluiden. Ändert sich die Dichte im Fluid durch lokale Temperatur- und/oder Druckgradienten, so ändert sich auch der Brechungsindex des Fluids an diesen Stellen.

Das parallelisierte Licht einer Hochdruckgasentladungslampe wird über Spiegel durch die zu untersuchende Messstrecke geführt, in der das Licht an Orten lokaler Dichteänderung unterschiedlich gebrochen wird (Schema). Im Brennpunkt des zweiten Konkavspiegels befindet sich eine Blende. Diese Blende kann nun so justiert werden, dass das ungebrochene Licht abgeschnitten und nur das in der Messstrecke aufgrund der Dichtegradienten gebrochene Licht auf einem Schirm (Mattscheibe) abgebildet wird. Damit werden im Strömungsfeld die Bereiche mit positiven Dichtegradienten hell und die negativen Dichtegradienten entsprechend dunkel dargestellt.

Bild 1 zeigt als Ausschnitt aus diesen Arbeiten die mit Hilfe der Schlierentechnik sichtbar gemachte transsonische Umströmung eines Tragflügelmodells (M= 0.8).

Wasserstoffblasentechnik

Die Methode der Wasserstoffblasentechnik ist zur Strömungssichtbarmachung in Wasserströmungen bei sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten einsetzbar. Gegenüber den Visualisierungsmethoden, bei denen Tracer oder Farbstoffe der Strömung zugeführt werden müssen, werden hierbei die durch Elektrolyse (Wasser als Elektrolyt) an einem dünnen Draht (Kathode) erzeugten Wasserstoffbläschen als lichtstreuende Teilchen in einem Lichtschnitt verwendet. Die Größe der Bläschen hängt dabei vom Drahtdurchmesser ab, wobei kleine Bläschen aufgrund des kleineren Auftriebs das bessere Folgevermögen aufweisen. Um scharfe Zeitlinien zu erzeugen, wird der Strom im Kathodendraht gepulst. Die so zeitlich getakteten Bläschenreihen können bei digitaler Bildaufnahme auch quantitativ ausgewertet werden (Particel Tracking Velocimetry). In Bild 2 ist der Anfahrvorgang einer Schaufelumströmung dargestellt. Hinter der Vorleitschaufel befindet sich ein sogenannter Wobbler, der durch periodische Auf- und Abbewegungen eine instationäre Laufschaufelumströmung simuliert. Die zeitlich getakteten Bläschenfronten sind deutlich zu erkennen.

Bild 2: Anfahrvorgang der Umströmung einer Vorleitschaufel
Lupe

Flüssigkristallfolien

Bild 3: Flüssigkristallaufnahme zur Visualisierung der Transitionslage an einem transsonischen Laminarflügel
Lupe

Mit Hilfe thermochromer Flüssigkristalle ist es möglich, Wandtemperaturverteilungen zu visualisieren. Flüssigkristalle sind Substanzen, die in bestimmten Phasen die mechanischen Eigenschaften einer Flüssigkeit, aber die optischen Eigenschaften eines Kristalls besitzen. In Abhängigkeit von der Temperatur ändern sie ihre Farbe, so dass bei einer genauen Farbkalibration auch quantitative Aussagen über den Temperaturverlauf getroffen werden können.

Exemplarisch dazu zeigt Bild 3 eine Aufnahme von thermochromen Flüssigkristallen an einem gepfeilten, transsonischen Laminarflügel, deren Farbänderung Schlußfolgerungen über die Art und den Zustand der wandnahen Strömung ermöglichen.

Laserlichtschnittverfahren (LLS) / Laserinduzierte Floreszenz (LIF)

Bei dem LLS-Verfahren wird ein kontinuierlicher Laserstrahl durch eine geeignete Optik (Zylinderlinse, Polygonscanner, Braggzelle) in einer Ebene aufgeweitet und als Lichband (Lichtschnitt) durch das zu betrachtende Messvolumen geführt. Sind in der Strömung Tracer (Partikel) vorhanden, so erfolgt eine elastische Streuung des Laserlichtes. Die Intensität des gestreuten Lichtes ist dabei von der Größe der Tracer und der Wellenlänge des Laserlichtes abhängig. Sehr häufig wird das Licht aus dem Lichtschnitt seitwärts in Richtung eines lichtempfindlichen Aufnahmemediums (CCD, Kamera) gestreut. Das Streulicht der Tracer und damit ihre Bewegungsbahn wird somit in einer Ebene dargestellt. Die Belichtungsdauer des Aufnahmemediums und die Bahngeschwindigkeit der Tracer bestimmen die Länge der Partikelspuren. Bei gleicher Belichtungszeit können somit Bereiche unterschiedlicher Geschwindigkeiten in einer Ebene sichtbar gemacht werden (Bild 4).

Bild 4: Strömungsvisualisierung der Ablösung in einem überkritischen ebenen Halbdiffusor
Lupe

Bild 4 zeigt eine LLS-Visualisierung in einem axialsymmetrischen Stoßdiffusor. Dieses Bild (Belichtungszeit von 1 ms) wurde in einem Ölkanal, die für die Untersuchung von dreidimensionalen Innenströmungen konzipiert wurde, aufgenommen. Hier sind deutlich die Bereiche hoher Geschwindigkeiten im Kern mit langen Partikelspuren von den geringen Geschwindigkeiten etwa im Rezirkulationsgebiet zu unterscheiden. Weiterhin sind sehr gut Wirbelstrukturen erkennbar.

Im Gegensatz zur LLS-Visualisierung wird bei der Methode der Laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) die unelastische Lichtsreuung an Molekülen von Flüssigkeiten oder Gasen ausgenutzt, welche dem strömenden Medium zugeführt werden müssen. Die Elektronen dieser Moleküle können die Lichtenergie des Laserlichtes absorbieren und angeregte Zustände einnehmen. Die Wellenlänge des eingestrahlten Laserlichtes muss dabei mit einer Wellenlängen aus dem Absorptionsspektrum des zugeführten Stoffes übereinstimmen. Die angeregten Moleküle emittieren beim Übergang in den energetischen Grundzustand monochromatisches Licht mit einer größeren Wellenlänge als die des eingestrahlten Lichtes ab. Erfolgt diese Emission innerhalb von 10-9s, heißt dieser Vorgang Fluoreszenz. Demgegenüber steht die Phosphoreszenz, bei der die Emission über einen langen Zeitraum (Millisekunden bis Stunden) erfolgt. In Bild 5 wurde der Abgasstrahl eines Zugmodells in einem Wasserkanal mit Fluorescin versetzt und im LLS eines Argon-Ionen-Lasers beleuchtet. Die Helligkeitsverteilung auf dem Bild ist hierbei ein Maß für die Abgaskonzentration im Strömungsfeld.

Bild 5: Visualisierung des Abgasstrahls an einem Zugmodell mit LIF
Lupe

Zusatzinformationen / Extras

Quick Access:

Schnellnavigation zur Seite über Nummerneingabe

Auxiliary Functions