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© Frank Kameier Folie 1 - 19.03.2010 FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 19.06.2013 Strömungssichtbarmachung Professor Dr.-Ing.

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1 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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

2 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Strömungstechnik - anschaulich

3 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Stromlinien – Bahnlinien - Streichlinien Eulersche Darstellung (ortsbezogen) Lagrangsche Darstellung (teilchenbezogen)

4 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Schematische Darstellung der Strömungsablösung in einem Rohrkrümmer, Schade/Kunz (1989).

9 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Ablösung an einem Tragflügel - stabil oder instabil? aus Quarks&Co, WDR, , Uhr, Reinhart Brüning, Martin Dreifert, Ulrich Grünewald, Harald Raabe und Ranga Yogeshwar quarks_segelflugmanoever.avi

10 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Strömungsablösung als Instabilität Ablöse- gebiet Ablösepunkt Strömungsablösung an einer gekrümmten Wand, Schade/Kunz (1989).

11 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Ablösung an einem angestellten Profil Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 angestellter_tragfluegel.wmv

12 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Ablösung an einer Profilhinterkante Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 dicker_profil.wmv

13 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 1. Teil: Wasser und Elektrolyse 2. Teil: Luft und Rauch

14 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Ablösung an einer scharfen Kante Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 backstep.wmv

15 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Ablösung an einer scharfen Kante Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 backstep_comp.wmv

16 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Blattspitzenwirbel - Flugzeugtragflügel Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 wv.wmv

17 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Sichtbarmachung durch fluoreszierende Wollfäden, aus Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, Sichtbarmachung durch fluoreszierende Wollfäden

19 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Ölfilmbild des Strömungsumschlages an einem Pfeilflügel mit Störkörpern, aus Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993 Ölfilmmethode zur Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse an der Wand (qualitative Wandschubspannungen)

20 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Sichtbarmachung der Strömungsverhältnisse an der Wand SerienmodellMikroturbulatoren Keine Abtragung der Farbe Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.

21 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Sichtbarmachung in einem Ringgitterkanal Aus: Ulbricht,I.: Stabilität des stehenden Ringgitters, Dissertation, TU Berlin, 2001, Saugseite (links) und Druckseite (rechts) einer Verdichterschaufel.

24 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Sichtbarmachung an der Wand mittels Sublimationsmethode Verwendung von Chemikalien Naphthalin und Trichlorethan

25 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Sichtbarmachung an der Wand mittels Flüssigkristallen Aus: Nitsche, W., Strömungsmesstechnik, 1993

26 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Farbfadenmethode Aus: Eichmann et. al.: Strömung – hören und sehen, Projektdokumentation FH Düsseldorf, 2005,

27 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Farbfadenmethode

28 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Rauch(faden)methode Quelle: Ford AG

29 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Bild 1.1: Strömungssichtbarmachung am Audi A2 im Windkanal der Audi AG, Ingolstadt, 2002 und Sondentraversierung am VW Golf.

30 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Strömungsablösung an PKW-Hecks, Hucho (1994).

31 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik umströmte Fahrzeuge Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 carsmokecombo.wmv

32 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Kugel- und Zylinderumströmung Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 vo.wmv sp2.wmv spheredrag1.wmv

33 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Ablösung an einem Zylinder Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 cylinder.wmv

34 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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

35 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, hoch Ma 2,5 Anströmmachzahl /1/

36 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.

37 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Aus: Kedziora, J., Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, 2005.

38 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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 t 1 und t 2 Aus der Weg-Zeit-Beziehung der Teilchen kann die Geschwindigkeit berechnet werden

39 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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

40 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 40 Versuchsaufbau im Windkanal der FH-Düsseldorf Skizze 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

41 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 41 Kármánsche Wirbelstraße – Aufnahme mit PIV Periodische Wirbelablösung im Nachlauf eines Zylinders [KUMAR & LAUGHLIN, 2011] Particle Image Velocimetry

42 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Wirbelentstehung am Zylinder Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 cyl_double.mov Particle Image Velocimetry

43 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik Numerische Strömungssimulation CFD 2S-Wirbelblösemuster Simulation von Wirbelablösemustern oberer Wirbel unterer Wirbel unteres Doppelwirbelpaar 2P-Wirbelblösemuster2S-Modus – Simulation vs. Literatur CFD ersetzt zunehmend die klassische Strömungssichtbarmachung

44 © Frank Kameier Folie FHD Fachhochschule Düsseldorf Strömungstechnik und Akustik 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, Hucho, Wolf-Heinrich: Aerodynamik des Automobils, Düsseldorf, Kedziora, Janina: Strömungen – sichtbar und hörbar, Diplomarbeit FH Düsseldorf, Nitsche, Wolfgang: Strömungsmesstechnik, Berlin, Ulbricht, Iris: Stabilität des stehenden Ringgitters, Dissertation, TU Berlin, 2001, Schade, Heinz, Kunz, Ewald, Strömungslehre, Berlin,


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