© Frank Kameier Folie 1 - 19.03.2010

FH DFachhochschule DüsseldorfStrömungstechnik und Akustik

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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19.06.2013

Strömungstechnik - anschaulich

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19.06.2013

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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19.06.2013

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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19.06.2013

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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19.06.2013

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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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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19.06.2013

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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19.06.2013

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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19.06.2013

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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Sichtbarmachung durch fluoreszierende Wollfäden, aus Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993.

Sichtbarmachung durch fluoreszierende Wollfäden

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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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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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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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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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Farbfadenmethode

http://www.dfrc.nasa.gov/Gallery/Photo/FVF/HTML/ECN-33298-03.html

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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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Strömungsablösung an PKW-Hecks, Hucho (1994).

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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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19.06.2013

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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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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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

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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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

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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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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41

Kármánsche Wirbelstraße – Aufnahme mit PIV

Periodische Wirbelablösung im Nachlauf eines Zylinders [KUMAR & LAUGHLIN, 2011]

Particle Image Velocimetry

© Frank Kameier Folie 42 - 19.03.2010

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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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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