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

Strömungstechnik - anschaulich

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

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)

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

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

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

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

Ablösung an einem Tragflügel - stabil oder instabil? quarks_segelflugmanoever.avi aus Quarks&Co, WDR, 08.06.99, 21.00 Uhr, Reinhart Brüning, Martin Dreifert, Ulrich Grünewald, Harald Raabe und Ranga Yogeshwar

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

Ablösung an einem angestellten Profil Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 angestellter_tragfluegel.wmv

Ablösung an einer Profilhinterkante Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 dicker_profil.wmv

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, 1998. - 1 Videokassette (VHSP, 30 Min.). diffusor.wmv

Ablösung an einer scharfen Kante Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 backstep.wmv

Ablösung an einer scharfen Kante Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 backstep_comp.wmv

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

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

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

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

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

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

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

Sichtbarmachung in einem Ringgitterkanal Saugseite (links) und Druckseite (rechts) einer Verdichterschaufel. Aus: Ulbricht,I.: Stabilität des stehenden Ringgitters, Dissertation, TU Berlin, 2001, http://edocs.tu-berlin.de/diss/2001/ulbricht_iris.pdf

Sichtbarmachung an der Wand mittels Sublimationsmethode Verwendung von Chemikalien Naphthalin und Trichlorethan http://www.uni-stuttgart.de/itlr/forschung/strvisual.html

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

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

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

Rauch(faden)methode Quelle: Ford AG

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

Strömungsablösung an PKW-Hecks, Hucho (1994).

umströmte Fahrzeuge Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 carsmokecombo.wmv

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

Ablösung an einem Zylinder Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 cylinder.wmv

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

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

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

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

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

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

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

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

Particle Image Velocimetry Wirbelentstehung am Zylinder Quelle: Multi-Media Fluid Mechanics, Cambridge 2000 cyl_double.mov

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

Literatur Brüning, Dreifert, Grünewald, Raabe, Yogeshwar: Faszination Fliegen http://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. 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