© Frank Kameier Folie 1 - 19.03.2010 FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik...

© 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



19.06.2013

Strömungstechnik - anschaulich



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



19.06.2013


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



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



19.06.2013


Aus: Flow visualization, (ca. 1970), siehe auch FH Bibliothek 10 WDA 35 –V, Chicago, Ill, Britannica, 1998. - 1 Videokassette (VHSP, 30 Min.).bahnlinien.wmv



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



19.06.2013

Schematische Darstellung der Strömungsablösung in einem Rohrkrümmer, Schade/Kunz (1989).



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



19.06.2013

Strömungsablösung als „Instabilität“

0y

u

W

W

Ablöse-gebiet

Ablösepunkt

Strömungsablösung an einer gekrümmten Wand, Schade/Kunz (1989).



19.06.2013

Ablösung an einem angestellten Profil

Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 angestellter_tragfluegel.wmv



19.06.2013

Ablösung an einer Profilhinterkante

Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 dicker_profil.wmv



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



19.06.2013

Ablösung an einer scharfen Kante

Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 backstep.wmv



19.06.2013

Ablösung an einer scharfen Kante

Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 backstep_comp.wmv



19.06.2013

Blattspitzenwirbel - Flugzeugtragflügel

Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 wv.wmv



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



19.06.2013

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

Sichtbarmachung durch fluoreszierende Wollfäden



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)



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.



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



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



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.



19.06.2013

Sichtbarmachung an der Wand mittels Sublimationsmethode

Verwendung von Chemikalien Naphthalin und Trichlorethan

http://www.uni-stuttgart.de/itlr/forschung/strvisual.html



19.06.2013

Sichtbarmachung an der Wand mittels Flüssigkristallen

Aus: Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993



19.06.2013

Farbfadenmethode

Aus: Eichmann et. al.: Strömung – hören und sehen, Projektdokumentation FH Düsseldorf, 2005, http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de



19.06.2013

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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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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Kugel- und Zylinderumströmung

Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000

vo.wmv

sp2.wmv

spheredrag1.wmv



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



19.06.2013


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


Woll-/Textilfäden











Methode


Woll-/Textilfäden













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



Unterteilung des Partikelbildes in Interrogation Areas

Messprinzip Particle Image Velocimetry (PIV) [DANTEC, 2008]


• Zerlegung des Partikelbildes in Interrogation Areas

• Vektorberechnung der Strömungsgeschwindigkeit über Kreuzkorrelation zwischen der Interrogation Area aus Frame 1/2



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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




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Kármánsche Wirbelstraße – Aufnahme mit PIV

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




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Wirbelentstehung am Zylinder

Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 cyl_double.mov




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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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

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