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Fluid Mechanics

Fluid Mechanics. Imaging Systeme - Allgemeine Strömungsmessung - Verbrennungsdiagnostik - Partikelgrößen Bestimmung Fluid Dynamics - Luft- und Gasströmungsmessung - Thermischer Komfort - Strömungsmessung von Flüssigkeiten - Partikel Größenbestimmung

kyle-benjamin
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Presentation Transcript

  1. Fluid Mechanics

  2. Imaging Systeme- Allgemeine Strömungsmessung- Verbrennungsdiagnostik- Partikelgrößen Bestimmung Fluid Dynamics- Luft- und Gasströmungsmessung- Thermischer Komfort- Strömungsmessung von Flüssigkeiten- Partikel Größenbestimmung Strain/Stress/Vibration- Dehnungs- und Spannungsmessungen- Vibrationsanalysen- Zerstörungsfreie Material- und Bauteilprüfung Geschäftsbereiche der Dantec Dynamics Gruppe Optimierung von Produktdesign und Verbrennungstechnik Aerodynamik und Hydrodynamics Optimierung von Materialien und Komponenten

  3. Wissenschaftliche Tätigkeiten • Dienstleistungen & Beratung • Auftragsmessung und Beratungstätigkeit im Bereich Fluid Mechanics

  4. Experimental Fluid DynamicsCTA Systeme – Strömung und Turbulenzen Technik für Punktmessungen in 1D, 2D und 3D Gas- und Flüssigkeitsströmung. Besonders geeignet für Mikro-Struktur Untersuchungen. - StreamLine CTA - MiniCTA

  5. Welche Vorteile bietet die Hitzdrahtmesstechnik ? • Großer Dynamikbereich von cm/s bis Überschall • Hohe Genauigkeit - unter Laborbedingungen 1% • Hohe zeitliche Auflösung bis 500 kHz • Hohe räumliche Auflösung 5µm * 1mm • Niedriger Druckabfall durch kleinen Sensor • Kontinuierliches analoges Ausgangssignal • 1D , 2D und 3D Messungen • Mehrkanalmessungen • Temperaturmessung

  6. Ein dünner Draht, montiert auf zwei parallelen Haltespitzen, wird der Strömung ausgesetzt.Wird ein elektr. Strom durch den Draht geleitet, heizt sich dieser auf (I²RW). Im Gleichgewichtszustand wird diese Wärmemenge in die Umgebung abgegeben (Konvektion). Das Messprinzip I • Ändert sich die Strömungsgeschwin- digkeit, ändert sich die Wärmeabfuhr und damit die Temperatur des Drahtes. Der Regelkreis regelt die Differenz aus.

  7. Der Sensorwiderstand (Temperatur) wird durch den Regelkreis konstant gehalten Die Wärmeabfuhr ist u.a. abhängig von der anliegenden Strömung Das Messprinzip II

  8. Die Ausgangsspannung über den Draht ist gegeben durch: E2 = I2Rw2 = Rw(Rw - Ra)(A1 + B1Un) oder Rw wird durch den Servoverstärker konstant gehalten durch: E2 = A + BUn E2 = Ausgangsspannung Rw = Warmwiderstand Ra = Kaltwiderstand A,B = Konstanten, abhängig vom Medium U = Strömungsgeschwindigkeit n = Exponent , ca. 2-2,5 über 0,1<Re<105 2,4 2,2 2 E Volt 1,8 1,6 5 10 15 20 25 30 35 40 U m/s Das Messprinzip III CTA Ausgang als f (U)

  9. Miniatur Draht Sonde Platinierter Wolframdraht, 5 m Durchmesser, 1,2 mm Länge Vergoldete Drahtsonde Gesamtlänge 3 mm, 1,25 mm aktive Sensorlänge vergoldete Drahtenden  Vorteile: - Präzise definierte aktive Sensorlänge - reduzierte Wärmeabfuhr in die Halterspitzen - gleichmäßige Temperaturverteilung längs des Drahtes - geringerer Einfluss der Sondenhalterung in der Strömung Sondentypen I

  10. Filmsonden Dünner Nickelfilm auf einem Quarzkörper Zusätzliche Quarzschicht schütz vor Korrosion, Verschleiß, mechanischer Beschädigung, elektrische Isolation Fiber-Film Sonden Dünner Nickelfilm auf einem drahtähnlichen Quarzstab (70µm) Sondentypen II

  11. X-Sonden für 2D Strömungen 2 Sensoren senkrecht zueinander. Messwinkel ±45o. Split-Fiber Sonden für 2D Strömungen 2 Filmsensoren gegenüberliegend auf einemQuarzzylinderMesswinkel ±90o. Triaxiale Sonde für 3D Strömungen 3 Sensoren jeweils orthogonal zueinander. Messwinkel innerhalb 70o Konus. Sondentypen III

  12. Experimental Fluid DynamicsLDA Systeme – Strömung und Turbulenzen • Gut etablierte non-intrusive Punktmesssysteme • für 1D, 2D oder 3D • Geschwindigkeitserfassung von Gas- und • Flüssigkeitsströmungen. • - FiberFlow LDA • FlowLite LDA • FlowExplorer LDA

  13. Eigenschaften des LDA • Berührungsloses Messen ohne Rückwirkung auf das Medium • Absolutes Messverfahren • Hohe Genauigkeit, da kein Einfluss durch Temperatur, Dichte, etc. • Hohe zeitliche Auflösung bis mehrere kHz • Hohe örtliche Auflösung durch kleines Messvolumen • Physikalisch linearer Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Doppler-Signal

  14. Das LDA Prinzip Strömung Sendeoptik Empfangsoptik mit Detektor Laser HeNe Ar-Ion Nd:YAG Diode Strahlteiler (Freq. Shift) Achrom. Linse Gas Flüssigk. Partikel Achrom. Linse Räuml. Filter Photomultiplier Photodiode Signal-aufbereitung PC Signal-verarbeitung Spektrumanalyse FFT-Prozessor Verstärker Filter

  15. Grundmodule: Strahlteiler Achromatische Linsen Optionen: Frequenzshift (Braggzelle) niedr. Geschw. Strömungsrichtung Strahlaufweitung Verkl. des Messvolumens Erhöhung der Laserintensität Sendeoptiken BS Laser Linse Bragg- zelle D E  D  DL F

  16. Strömung mit Partikeln Signal d (bekannt) t (gemessen) Zeit • Geschwindigkeit = Weg/Zeit Prozessor Detektor Messvolumen Bragg- zelle Laser Rückstreulicht

  17. ungefiltertes Signal gefiltertes Signal Signalcharakteristiken

  18. Das Strahlenkreuz und das Schnitt- bzw. Messvolumen Ebene Wellenfronten Interferenz in der Ebene des fokussierten Schnittvolumens Hell-Dunkel Streifenmuster LDA - Interferenzstreifenmodell

  19. Partikel gleicher Geschwindigkeit ergeben gleiche Dopplerfrequenz unabhängig von der Bewegungsrichtung. Richtungmehrdeutigkeit / Frequenzverschiebung f fmax fshift fmin u umax umin shift umin umax no shift • Die Einbindung einer Frequenzverschiebung bewirkt eine konstante Bewegung des Interferenzstreifenfeldes • Reversible Geschwindigkeiten und Geschwindigkeit Null werden erkannt

  20. Akusto-optischer Modulator Signalgenerator (typisch: 40 MHz) Frequenzerhöhung um die Shiftfrequenz Akustischer Absorber Frequenzverschiebung / Braggzelle fs40 MHz Piezo- transducer fL Wellenfront fL + fS  Laser Absorber

  21. LDA Fiber Flow LDA System

  22. 3D Messung um ein 1:5 Fahrzeugmodell in einem Windkanal Mit freundlicher Genehmigung von Mercedes-Benz, Germany

  23. Messung des Strömungsprofils in einem Rohr

  24. Strömungsprofile einer turbulenten Strömung

  25. Umströmung einer Schiffsschraube in einem Kavitationstank Mit freundlicher Genehmigung der Universität Rostock, Germany

  26. Wasserströmung in einem Pumpenmodell Mit freundlicher Genehmigung der Grundfos A/S, DK

  27. Strömungsmessung in einem Ventilmodell Mit freundlicher Genehmigung der Westsächsische Hochschule Zwickau, Germany

  28. Vergleich von EFD und CFD Ergebnissen

  29. Strömungsfeld zwischen Kühler und Kondensator

  30. Experimental Fluid DynamicsPDA Systeme - Partikel Charakterisierung Berührungslose Analyse der Partikelgröße, Geschwindigkeit und Massenstrom von spherischen Partikeln - FiberPDA Systeme - DualPDA Systeme

  31. Optische Parameter für einen PDA-Aufbau: X Detektor 1 Strömung  Z    Streuebene Y Detektor 2 Das PDA Prinzip • Strahl Schnittwinkel  • Streuwinkel  • Höhenwinkel  • Polarisation (parallel oder senkrecht zur Streuebene) • Form und Größe der Detektorblende

  32. Die Intensität des Einfallstrahls wird teilweise reflektiert und gebrochen. Das Intensitätsverhältnis ist durch die Fresnel-Koeffizienten gegeben und hängt vom Einfallwinkel, der Polarisation und dem relativen Brechungsindex. Der Streuwinkel ergibt sich durch das Snelliussche Gesetz Die Phase ergibt sich durch die optische Pfadlänge des Strahls. Der Großteil der Intensität ist in den ersten drei Streumodi enthalten. 6. Ordnung 3. Ordnung 2 Reflektion np > nm nm 1 Incident ray np Brechnung 1. Ordnung -2 -1 1 2 4. Ordnung 8. Ordnung -1 7. Ordnung 5. Ordnung Brechung 2. Ordnung -2 Streuformen

  33. HiDense PDA HiDense PDA ist eine Komplettlösung: • FiberFlow Sonde mit Argon Laser • HiDense PDA Sonde mit Slit Selector • BSA P80 Prozessor mit großem Geschwindigkeitsbereich • BSA Flow Software

  34. Herausforderungen: Mitte des Sprays erreichen Hohe Geschwindigkeits-schwankungen Kleine Partikel Anforderungen Kleine Abmessung der Sonde Hohe Laserleistung Erweiterte Signalverarbeitung PDA und Ultra-Dense-Sprays Mit freundlicher Genehmigung von Lotus Engineering

  35. Treibstoffeinspritzung bei Automobilen Photo: AVL, Graz, Austria

  36. Treibstoffeinspritzung bei Flugzeugmotoren Photo: DLR, Institut für Antriebstechnik, Köln, Germany

  37. Düsendesign Photo: Gustav Schlick GmbH & Co., Untersiemau, Germany

  38. Beispiele: HiDense Sprays PDA High speed flächenhafte Darstellung Spray PDA High speed Schattengrößenbestimmung Treibstoffeinspritzung PDA Mie/LIF Systeme Partikel Größenbestimmung Kombinationen Shadow size Visual Shadow images of sprays Dr. Tropea, Sales meeting PDA Calibrate LIF data from Formula 1 engine injection nozzle

  39. Experimental Fluid DynamicsPIV Produkt Familie • Komplettes Angebot von • Flächenmesssystemen für 2D- und 3D- • Anwendungen: • - 2D und 3D Standard PIV • 2D und 3D TR-PIV • - Verstärkte Kameras • - NanoSense Technologie • µPIV and µLIF • LII • Mie/LIF Technik • Schattentechnik

  40. Mit PIV kann man unmittelbar Strömungsgeschwindigkeiten in einer Ebene messen. Mit den klassischen CTA- und LDA-Messverfahren kann man Strömungsgeschwindigkeiten in einem Punkt und über einen Zeitraum hinweg messen. Was ist Particle Image Velocimetry?

  41. Das Messverfahren in einfachen Schritten Die Strömung wird mit Partikeln versehen („Seeding“) Das Messfeld wird beleuchtet Die Kamera macht zwei Bildaufnahmen Das Bild wird ausgewertet PIV – Was wird benötigt?

  42. Synchronisierung von gepulsten Lasern Synchronisations- einheit Doppel-Cavity Pulslaser mit Q-Switch Testlampe Freilauf Blitzlampe 1 Cavity 1 Q-Switch 1 Blitzlampe 2 Cavity 2 Q-Switch 2

  43. Lint Pixel Räumliche Auflösung Abfrageraster Räumliche Auflösung im Strömungsfeld

  44. Gute Kreuzkorrelation

  45. Messung im 1:1 Windkanal Strömungen um einen LKW-Außenspiegel Wand mit Schlitzen FlowSense Kamera Lichtschnitt- optik Nd:YAG Laser

  46. Ansicht von oben Nd:YAG Lichtschnitt Stromauf-wärts Position Stromabwärts Position 4m Niedrige Strömungs- geschwindigkeit 10 - 20 m/Sek. Rauch- generator LKW Außenspiegel an der Fahrerseite

  47. Messposition:Stromaufwärts Freie Strömung:10 m/Sek. Rauchpartikel 16 x 16 cm Fläche LKW Spiegel

  48. Messposition:Stromabwärts Freie Strömung:10 m/Sek. Rauchpartikel Spiegel LKW 16 x 16 cm Fläche

  49. PIV-Anwendung für Komfortdesign

  50. Model in Air Messungen von der HSVA Hamburg / Airbus Bremen

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