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19.06.2013
Strömungssichtbarmachung
Professor Dr.-Ing. Frank Kameier
• Definition Stromlinien, Bahnlinien, Streichlinien• Ablösung, Definition eines Ablösepunktes• Methoden zur Sichtbarmachung von Strömungen
- Rauch- Wandanstrich- Fäden
• Nichtinvasive Messmethode zur Strömungsmessung (PIV)• Numerische Strömungssimulation
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Strömungstechnik - anschaulich
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Stromlinien – Bahnlinien - Streichlinien
Eulersche Darstellung (ortsbezogen)
Lagrangsche Darstellung (teilchenbezogen) )t,t,x(x)t,X(x)t,Teilchen(xx 00
)t,x(x)Zeit,Ort(xx
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Stromlinien – Bahnlinien - Streichlinien
Bahnlinie: Verfolgung eines Teilchens
Streichlinie: Teilchen, die durch ein und den selben Ort strömen
Stromlinie: Verbindungslinie zwischen ein unddem selben Teilchen zu zweiunterschiedlichen Zeitpunkten(Momentaufnahmen)
w
dz
v
dy
u
dx0dxxc
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19.06.2013
Streichlinien – Bahnlinien - Zeitlinien
Aus: Flow visualization, (ca. 1957), siehe auch FH Bibliothek 10 WDA 35 –V, Chicago, Ill, Britannica, 1998. - 1 Videokassette (VHSP, 30 Min.).zeitlinien.wmf
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Stromlinien – Bahnlinien - Streichlinien
Aus: Flow visualization, (ca. 1970), siehe auch FH Bibliothek 10 WDA 35 –V, Chicago, Ill, Britannica, 1998. - 1 Videokassette (VHSP, 30 Min.).bahnlinien.wmv
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Warum Strömungsvisualisierung?
Allgemeiner Erkenntnisgewinn zu Strömungsphänomenen
Visualisierung von Ablösungen, Ablösepunkten, Wirbeln Verlauf von Stromlinien sichtbar machen
Ziel: Optimierung der Strömungsführung, z. B. in der Automobilindustrie z. B. Reduzierung des Strömungswiderstandes (cw-Wert), oderaber aeroakustische Optimierung
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19.06.2013
Schematische Darstellung der Strömungsablösung in einem Rohrkrümmer, Schade/Kunz (1989).
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19.06.2013
Ablösung an einem Tragflügel - stabil oder instabil?
aus Quarks&Co, WDR, 08.06.99, 21.00 Uhr, Reinhart Brüning, Martin Dreifert, Ulrich Grünewald, Harald Raabe und Ranga Yogeshwar
quarks_segelflugmanoever.avi
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Strömungsablösung als „Instabilität“
0y
u
W
W
Ablöse-gebiet
Ablösepunkt
Strömungsablösung an einer gekrümmten Wand, Schade/Kunz (1989).
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Ablösung an einem angestellten Profil
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 angestellter_tragfluegel.wmv
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Ablösung an einer Profilhinterkante
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 dicker_profil.wmv
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Strömungssichtbarmachung einer Ablösung im Diffusor.
Aus: Flow visualization, (ca. 1970), siehe auch FH Bibliothek 10 WDA 35 –V, Chicago, Ill, Britannica, 1998. - 1 Videokassette (VHSP, 30 Min.).diffusor.wmv
1. Teil:Wasser und Elektrolyse
2. Teil:Luft und Rauch
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Ablösung an einer scharfen Kante
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 backstep.wmv
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Ablösung an einer scharfen Kante
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 backstep_comp.wmv
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Blattspitzenwirbel - Flugzeugtragflügel
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 wv.wmv
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19.06.2013
Strömungssichtbarmachung
• Ziel: - Verlauf von Stromlinien sichtbar machen
- Bereiche identifizieren, wo ein Umschlag von laminarer in turbulenter Strömung erfolgt
Unterscheidung in zwei Hauptbereiche:
• Oberflächenströmungs-Visualisierung Anstrich von Oberflächen durch z. B. Lacke, Farben, etc.
• Strömungsfeld-Visualisierung Einbringen von Partikeln in die Strömung
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19.06.2013
Sichtbarmachung durch fluoreszierende Wollfäden, aus Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993.
Sichtbarmachung durch fluoreszierende Wollfäden
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19.06.2013
Ölfilmbild des Strömungsumschlages an einem Pfeilflügel mit Störkörpern, aus Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993
Ölfilmmethode zur Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse an der Wand (qualitative Wandschubspannungen)
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19.06.2013
Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse an der Wand
Serienmodell Mikroturbulatoren
Keine Abtragung der Farbe
Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.
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19.06.2013
Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse an der Wand
Strömungssichtbarmachung mit fluoreszierendem Ölfilm an einem Tragflügel mit (a) und ohne Winglet (b) , aus Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993
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19.06.2013
Sichtbarmachung in einem Ringgitterkanal
mit einer Mischung aus feinem Pigment und Maschinenöl, das mit Petroleum verdünnt wurde
Aus: Ulbricht,I.: Stabilität des stehenden Ringgitters, Dissertation, TU Berlin, 2001,http://edocs.tu-berlin.de/diss/2001/ulbricht_iris.pdf
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19.06.2013
Sichtbarmachung in einem Ringgitterkanal
Aus: Ulbricht,I.: Stabilität des stehenden Ringgitters, Dissertation, TU Berlin, 2001,http://edocs.tu-berlin.de/diss/2001/ulbricht_iris.pdf
Saugseite (links) und Druckseite (rechts) einer Verdichterschaufel.
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19.06.2013
Sichtbarmachung an der Wand mittels Sublimationsmethode
Verwendung von Chemikalien Naphthalin und Trichlorethan
http://www.uni-stuttgart.de/itlr/forschung/strvisual.html
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19.06.2013
Sichtbarmachung an der Wand mittels Flüssigkristallen
Aus: Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993
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19.06.2013
Farbfadenmethode
Aus: Eichmann et. al.: Strömung – hören und sehen, Projektdokumentation FH Düsseldorf, 2005, http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de
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19.06.2013
Farbfadenmethode
http://www.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/FVF/HTML/ECN-33298-03.html
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19.06.2013
Rauch(faden)methode
Quelle: Ford AG
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19.06.2013
Bild 1.1: Strömungssichtbarmachung am Audi A2 im Windkanal der Audi AG, Ingolstadt, 2002 und Sondentraversierung am VW Golf.
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19.06.2013
Strömungsablösung an PKW-Hecks, Hucho (1994).
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19.06.2013
umströmte Fahrzeuge
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 carsmokecombo.wmv
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19.06.2013
Kugel- und Zylinderumströmung
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000
vo.wmv
sp2.wmv
spheredrag1.wmv
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19.06.2013
Ablösung an einem Zylinder
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 cylinder.wmv
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Rauch(faden)methode
Instabilitätswellen bei der Umströmung eines Kegels, aus: Nitsche, W., Strömungsmess-technik, 1993
Wirbelbildung im Nachlauf eines Profils, aus: Nitsche, W., Strömungsmess-technik, 1993
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FH DFachhochschule DüsseldorfStrömungstechnik und Akustik
19.06.2013
Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.
Methode
Geschwindigkeitsbereich Aufwand/ Geräte
Woll-/Textilfäden
niedrig-mittel (ca. 45 m/s) /1/
Bei großer Fläche des Körpers großer Aufwand durch Aufkleben der Fäden Bei fluoreszierenden Fäden UV-Licht notwendig
Ölanstrichverfahren hoch M? = 2,5 (Anströmmachzahl) /1/
Sorgfältige Anpassung des Ölgemisches an die Strömungsbedingungen
Sublimationsmethode hoch Genaue Abstimmung der Chemikalien mit der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur
Flüssigkristalltechnik niedrig (13 m/s) /1/ Einfache Handhabung: Folie muss nur auf die zu untersuchende Oberfläche aufgeklebt werden
Farbfadenmethode Farbflüssigkeit tritt entweder aus Bohrungen des Modells oder aus Farbsonden vor dem Modell, deswegen Vorratsbehälter notwendig Regelung der Austritts-geschwindigkeit durch Druckluft Turbulenzarmer Wasser-kanal
Rauchdrahtmethode niedrig (bis 15 m/s) /1/ Es wird ein Draht der durch Strompulse geheizt wird benötigt Sorgfältige Aufbringung des Öls auf den Draht
Nebelvisualisierung Hoch, bis in den supersonischen Bereich (Überschall) /1/
Turbulenzarmer Windkanal Großes Kontraktions-verhältnis Traversierbares Nebelrohr
hochMa 2,5
Anströmmachzahl /1/
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Methode
Geschwindigkeitsbereich Aufwand/ Geräte
Woll-/Textilfäden
niedrig-mittel (ca. 45 m/s) /1/
Bei großer Fläche des Körpers großer Aufwand durch Aufkleben der Fäden Bei fluoreszierenden Fäden UV-Licht notwendig
Ölanstrichverfahren hoch M? = 2,5 (Anströmmachzahl) /1/
Sorgfältige Anpassung des Ölgemisches an die Strömungsbedingungen
Sublimationsmethode hoch Genaue Abstimmung der Chemikalien mit der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur
Flüssigkristalltechnik niedrig (13 m/s) /1/ Einfache Handhabung: Folie muss nur auf die zu untersuchende Oberfläche aufgeklebt werden
Farbfadenmethode Farbflüssigkeit tritt entweder aus Bohrungen des Modells oder aus Farbsonden vor dem Modell, deswegen Vorratsbehälter notwendig Regelung der Austritts-geschwindigkeit durch Druckluft Turbulenzarmer Wasser-kanal
Rauchdrahtmethode niedrig (bis 15 m/s) /1/ Es wird ein Draht der durch Strompulse geheizt wird benötigt Sorgfältige Aufbringung des Öls auf den Draht
Nebelvisualisierung Hoch, bis in den supersonischen Bereich (Überschall) /1/
Turbulenzarmer Windkanal Großes Kontraktions-verhältnis Traversierbares Nebelrohr
Methode
Geschwindigkeitsbereich Aufwand/ Geräte
Woll-/Textilfäden
niedrig-mittel (ca. 45 m/s) /1/
Bei großer Fläche des Körpers großer Aufwand durch Aufkleben der Fäden Bei fluoreszierenden Fäden UV-Licht notwendig
Ölanstrichverfahren hoch M? = 2,5 (Anströmmachzahl) /1/
Sorgfältige Anpassung des Ölgemisches an die Strömungsbedingungen
Sublimationsmethode hoch Genaue Abstimmung der Chemikalien mit der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur
Flüssigkristalltechnik niedrig (13 m/s) /1/ Einfache Handhabung: Folie muss nur auf die zu untersuchende Oberfläche aufgeklebt werden
Farbfadenmethode Farbflüssigkeit tritt entweder aus Bohrungen des Modells oder aus Farbsonden vor dem Modell, deswegen Vorratsbehälter notwendig Regelung der Austritts-geschwindigkeit durch Druckluft Turbulenzarmer Wasser-kanal
Rauchdrahtmethode niedrig (bis 15 m/s) /1/ Es wird ein Draht der durch Strompulse geheizt wird benötigt Sorgfältige Aufbringung des Öls auf den Draht
Nebelvisualisierung Hoch, bis in den supersonischen Bereich (Überschall) /1/
Turbulenzarmer Windkanal Großes Kontraktions-verhältnis Traversierbares Nebelrohr
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19.06.2013
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Methode
Geschwindigkeitsbereich Aufwand/ Geräte
Woll-/Textilfäden
niedrig-mittel (ca. 45 m/s) /1/
Bei großer Fläche des Körpers großer Aufwand durch Aufkleben der Fäden Bei fluoreszierenden Fäden UV-Licht notwendig
Ölanstrichverfahren hoch M? = 2,5 (Anströmmachzahl) /1/
Sorgfältige Anpassung des Ölgemisches an die Strömungsbedingungen
Sublimationsmethode hoch Genaue Abstimmung der Chemikalien mit der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur
Flüssigkristalltechnik niedrig (13 m/s) /1/ Einfache Handhabung: Folie muss nur auf die zu untersuchende Oberfläche aufgeklebt werden
Farbfadenmethode Farbflüssigkeit tritt entweder aus Bohrungen des Modells oder aus Farbsonden vor dem Modell, deswegen Vorratsbehälter notwendig Regelung der Austritts-geschwindigkeit durch Druckluft Turbulenzarmer Wasser-kanal
Rauchdrahtmethode niedrig (bis 15 m/s) /1/ Es wird ein Draht der durch Strompulse geheizt wird benötigt Sorgfältige Aufbringung des Öls auf den Draht
Nebelvisualisierung Hoch, bis in den supersonischen Bereich (Überschall) /1/
Turbulenzarmer Windkanal Großes Kontraktions-verhältnis Traversierbares Nebelrohr
Methode
Geschwindigkeitsbereich Aufwand/ Geräte
Woll-/Textilfäden
niedrig-mittel (ca. 45 m/s) /1/
Bei großer Fläche des Körpers großer Aufwand durch Aufkleben der Fäden Bei fluoreszierenden Fäden UV-Licht notwendig
Ölanstrichverfahren hoch M? = 2,5 (Anströmmachzahl) /1/
Sorgfältige Anpassung des Ölgemisches an die Strömungsbedingungen
Sublimationsmethode hoch Genaue Abstimmung der Chemikalien mit der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur
Flüssigkristalltechnik niedrig (13 m/s) /1/ Einfache Handhabung: Folie muss nur auf die zu untersuchende Oberfläche aufgeklebt werden
Farbfadenmethode Farbflüssigkeit tritt entweder aus Bohrungen des Modells oder aus Farbsonden vor dem Modell, deswegen Vorratsbehälter notwendig Regelung der Austritts-geschwindigkeit durch Druckluft Turbulenzarmer Wasser-kanal
Rauchdrahtmethode niedrig (bis 15 m/s) /1/ Es wird ein Draht der durch Strompulse geheizt wird benötigt Sorgfältige Aufbringung des Öls auf den Draht
Nebelvisualisierung Hoch, bis in den supersonischen Bereich (Überschall) /1/
Turbulenzarmer Windkanal Großes Kontraktions-verhältnis Traversierbares Nebelrohr
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PIV Aufnahmebild
Particle Image Velocimetry
Funktionsprinzip:
•Optisches Messverfahren zur flächigen Geschwindigkeitsbestimmung
•Laser erzeugt Lichtschnitt im Fluid suspendierte Teilchen werden angeleuchtet
• Messung der Position der Teilchen an zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1 und t2
• Aus der Weg-Zeit-Beziehung der Teilchen kann die Geschwindigkeit berechnet werden
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© Frank Kameier Folie 39 - 19.03.2010
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Unterteilung des Partikelbildes in Interrogation Areas
Messprinzip Particle Image Velocimetry (PIV) [DANTEC, 2008]
Particle Image Velocimetry
• Zerlegung des Partikelbildes in Interrogation Areas
• Vektorberechnung der Strömungsgeschwindigkeit über Kreuzkorrelation zwischen der Interrogation Area aus Frame 1/2
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40
Versuchsaufbau im Windkanal der FH-DüsseldorfSkizze des Versuchsaufbaus im Windkanal der FH Düsseldorf
Windkanal-austritt
Anströmrichtung
Spiegel
Laserschnitt
Zylinder mit Befestigung
PIV-Lasersystem
Windkanalaustritt
Zylinder
Spiegel
Platte
Verschieberichtung der Platte
Anströmrichtung
Particle Image Velocimetry
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© Frank Kameier Folie 41 - 19.03.2010
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41
Kármánsche Wirbelstraße – Aufnahme mit PIV
Periodische Wirbelablösung im Nachlauf eines Zylinders [KUMAR & LAUGHLIN, 2011]
Particle Image Velocimetry
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Wirbelentstehung am Zylinder
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 cyl_double.mov
Particle Image Velocimetry
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Numerische Strömungssimulation CFD
2S-Wirbelblösemuster
Simulation von Wirbelablösemustern
oberer Wirbel
unterer Wirbelunteres Doppelwirbelpaar
2P-Wirbelblösemuster 2S-Modus – Simulation vs. Literatur
• CFD ersetzt zunehmend die klassische Strömungssichtbarmachung
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© Frank Kameier Folie 44 - 19.03.2010
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19.06.2013
LiteraturBrüning, Dreifert, Grünewald, Raabe, Yogeshwar: Faszination Fliegenhttp://www.quarks.de/fliegen2/00.htm
Eichmann, Kogan, Kunstmann, Polke, Roher, Schweingruber: Strömung – Hören und Sehen, Projektdokumentation FH Düsseldorf, 2005, http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de
Flow visualization, (Video ca. 1970), siehe auch FH Bibliothek 10 WDA 35 –V, Chicago, Ill, Britannica, 1998
Homsy, George M.: Multi-media fluid mechanics, Cambridge, 2000.
Hucho, Wolf-Heinrich: Aerodynamik des Automobils, Düsseldorf, 1994.
Kedziora, Janina: Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de
Nitsche, Wolfgang: Strömungsmesstechnik, Berlin, 1993.
Ulbricht, Iris: Stabilität des stehenden Ringgitters, Dissertation, TU Berlin, 2001,http://edocs.tu-berlin.de/diss/2001/ulbricht_iris.pdf
Schade, Heinz, Kunz, Ewald, Strömungslehre, Berlin, 2007.
http://www.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/FVF/HTML/ECN-33298-03.html
http://www.uni-stuttgart.de/itlr/forschung/strvisual.html