Strömungssichtbarmachung

Präsentation zum Thema: "Strömungssichtbarmachung"—  Präsentation transkript:

1 Strömungssichtbarmachung
Professor Dr.-Ing. Frank Kameier Strömungssichtbarmachung Definition Stromlinien, Bahnlinien, Streichlinien Ablösung, Definition eines Ablösepunktes Methoden zur Sichtbarmachung von Strömungen - Rauch - Wandanstrich - Fäden Nichtinvasive Messmethode zur Strömungsmessung (PIV) Numerische Strömungssimulation

2 Strömungstechnik - anschaulich

3 Stromlinien – Bahnlinien - Streichlinien
Eulersche Darstellung (ortsbezogen) Lagrangsche Darstellung (teilchenbezogen)

4 Stromlinien – Bahnlinien - Streichlinien
Bahnlinie: Verfolgung eines Teilchens Streichlinie: Teilchen, die durch ein und den selben Ort strömen Stromlinie: Verbindungslinie zwischen ein und dem selben Teilchen zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten (Momentaufnahmen)

5 Streichlinien – Bahnlinien - Zeitlinien
Aus: Flow visualization, (ca. 1957), siehe auch FH Bibliothek 10 WDA 35 –V, Chicago, Ill, Britannica, Videokassette (VHSP, 30 Min.). zeitlinien.wmf

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

7 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), oder aber aeroakustische Optimierung

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

9 Ablösung an einem Tragflügel - stabil oder instabil?
quarks_segelflugmanoever.avi aus Quarks&Co, WDR, , Uhr, Reinhart Brüning, Martin Dreifert, Ulrich Grünewald, Harald Raabe und Ranga Yogeshwar

10 Strömungsablösung als „Instabilität“
Ablöse- gebiet Ablösepunkt Strömungsablösung an einer gekrümmten Wand, Schade/Kunz (1989).

11 Ablösung an einem angestellten Profil
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge angestellter_tragfluegel.wmv

12 Ablösung an einer Profilhinterkante
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge dicker_profil.wmv

13 Wasser und Elektrolyse
1. Teil: Wasser und Elektrolyse 2. Teil: Luft und Rauch Strömungssichtbarmachung einer Ablösung im Diffusor. Aus: Flow visualization, (ca. 1970), siehe auch FH Bibliothek 10 WDA 35 –V, Chicago, Ill, Britannica, Videokassette (VHSP, 30 Min.). diffusor.wmv

14 Ablösung an einer scharfen Kante
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge backstep.wmv

15 Ablösung an einer scharfen Kante
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge backstep_comp.wmv

16 Blattspitzenwirbel - Flugzeugtragflügel
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge wv.wmv

17 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

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

19 Ölfilmmethode zur Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse an der Wand (qualitative Wandschubspannungen) Ölfilmbild des Strömungsumschlages an einem Pfeilflügel mit Störkörpern, aus Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993

20 Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse an der Wand
Keine Abtragung der Farbe Serienmodell Mikroturbulatoren Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.

21 Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse an der Wand
Strömungssichtbarmachung mit fluoreszierendem Ölfilm an einem Tragflügel mit (a) und ohne Winglet (b) , aus Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993

22 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,

23 Sichtbarmachung in einem Ringgitterkanal
Saugseite (links) und Druckseite (rechts) einer Verdichterschaufel. Aus: Ulbricht,I.: Stabilität des stehenden Ringgitters, Dissertation, TU Berlin, 2001,

24 Sichtbarmachung an der Wand mittels Sublimationsmethode
Verwendung von Chemikalien Naphthalin und Trichlorethan

25 Sichtbarmachung an der Wand mittels Flüssigkristallen
Aus: Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993

26 Farbfadenmethode Aus: Eichmann et. al.: Strömung – hören und sehen, Projektdokumentation FH Düsseldorf, 2005,

27 Farbfadenmethode

28 Rauch(faden)methode Quelle: Ford AG

29 Bild 1.1: Strömungssichtbarmachung am Audi A2 im Windkanal der Audi AG, Ingolstadt, 2002 und Sondentraversierung am VW Golf.

30 Strömungsablösung an PKW-Hecks, Hucho (1994).

31 umströmte Fahrzeuge Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge carsmokecombo.wmv

32 Kugel- und Zylinderumströmung
spheredrag1.wmv vo.wmv sp2.wmv Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000

33 Ablösung an einem Zylinder
Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge cylinder.wmv

34 Rauch(faden)methode Wirbelbildung im Nachlauf eines Profils, aus: Nitsche, W., Strömungsmess-technik, 1993 Instabilitätswellen bei der Umströmung eines Kegels, aus: Nitsche, W., Strömungsmess-technik, 1993

35 hoch Ma  2,5 Anströmmachzahl /1/ Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.

36 Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.

37 Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.

38 Particle Image Velocimetry
Funktionsprinzip: Optisches Messverfahren zur flächigen Geschwindigkeitsbestimmung Laser erzeugt Lichtschnitt  im Fluid suspendierte Teilchen werden angeleuchtet PIV Aufnahmebild 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

39 Particle Image Velocimetry
Zerlegung des Partikelbildes in Interrogation Areas Vektorberechnung der Strömungsgeschwindigkeit über Kreuzkorrelation zwischen der Interrogation Area aus Frame 1/2 Messprinzip Particle Image Velocimetry (PIV) [DANTEC, 2008] Unterteilung des Partikelbildes in Interrogation Areas

40 Particle Image Velocimetry
Spiegel Spiegel Windkanalaustritt Laserschnitt Platte Windkanal- austritt Zylinder mit Befestigung Verschieberichtung der Platte Anströmrichtung Zylinder PIV-Lasersystem Anströmrichtung Skizze des Versuchsaufbaus im Windkanal der FH Düsseldorf Versuchsaufbau im Windkanal der FH-Düsseldorf

41 Particle Image Velocimetry
Kármánsche Wirbelstraße – Aufnahme mit PIV Periodische Wirbelablösung im Nachlauf eines Zylinders [KUMAR & LAUGHLIN, 2011]

42 Particle Image Velocimetry
Wirbelentstehung am Zylinder Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge cyl_double.mov

43 Numerische Strömungssimulation CFD
Simulation von Wirbelablösemustern CFD ersetzt zunehmend die klassische Strömungssichtbarmachung oberer Wirbel unterer Wirbel unteres Doppelwirbelpaar 2S-Wirbelblösemuster 2P-Wirbelblösemuster 2S-Modus – Simulation vs. Literatur

44 Literatur Brüning, Dreifert, Grünewald, Raabe, Yogeshwar: Faszination Fliegen Eichmann, Kogan, Kunstmann, Polke, Roher, Schweingruber: Strömung – Hören und Sehen, Projektdokumentation FH Düsseldorf, 2005, 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. Nitsche, Wolfgang: Strömungsmesstechnik, Berlin, 1993. Ulbricht, Iris: Stabilität des stehenden Ringgitters, Dissertation, TU Berlin, 2001, Schade, Heinz, Kunz, Ewald, Strömungslehre, Berlin, 2007.