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Laseroptische Strömungsmessung

Forschung & Entwicklung

Dipl.-Ing. (FH) Christian Friebe

+49-351-4081-659

PIV und LDA

Anwendungsbereiche

Bei vielen Produkten sind, ob erwünscht oder nicht, Fluid-Strömungen vorhanden. In Abhängigkeit von Umwelteinflüssen, Berandungen und vieler weiterer Faktoren bilden sich solche Strömungen sehr unterschiedlich aus. Daher können oft nur sehr schwer Aussagen über deren Verhalten oder Wechselwirkungen mit anderen Komponenten getroffen werden.

Mit Hilfe der laseroptischen Strömungsmessung können Sie sich neues Optimierungspotenzial erschließen:

  • Leistung
  • Wirkungsgrad
  • Druckverlust
  • Wärmeübergang
  • Betriebskosten
  • Produktdesign
  • Strömungsrichtung
  • Geräusche

 Als moderne Technik bieten die laseroptischen Verfahren viele Vorteile:

  • kalibrationsfrei
  • berührungslos
  • nicht invasiv
  • anschaulich
  • schnell

Derzeit können Strömungen mit zwei verschiedenen laseroptischen Methoden untersucht werden:

  1. Particle Image Velocimetry
  2. Laser / Phase Doppler Anemometry

Weitere Informationen: www.dantecdynamics.com

Particle Image Velocimetry

Vorgehensweise für die Geschwindigkeitsmessung mittels PIV

Bestimmt wird die Geschwindigkeit und die Richtung von in dem zu untersuchenden Fluid mitgeführten Partikeln. Die Strömung wird dazu in einer Ebene kurzzeitig belichtet. Aus dem Vergleich zweier Aufnahmen kann die Verschiebung der einzelnen Partikel festgestellt werden. Diese Information wird für Berechnung der Geschwindigkeitsfelder verwendet.

1. Aufnahme Strömung mit Seedingpartikeln. Das folgende Video zeigt die Aufnahme einer Küvette mit fluoreszierenden Mikropartikeln. Die Partikel werden in einem Laserschnitt beleuchtet und jeweils zwei Bilder in zeitlich kurzem Abstand aufgenommen. 2. Aus diesen aufgenommenen Doppelbildern können über Korrelationsverfahren die Geschwindigkeiten in der Aufnahmeebene berechnet werden. In diesem Video ist der zeitliche Geschwindigkeitsverlauf zu sehen. 3. Mittels Mittelwertbildung kann, wie im letzten Film zu sehen, der Strömungsverlauf anschaulich dargestellt werden. Der Betrag der Geschwindigkeit ist farblich markiert.

mögliche Aufgaben

  • Bestimmung der Strömungsstruktur an Luftauslässen, Absaugeinrichtungen, Ventilatoren und ähnlichen Komponenten
  • Optimierung von durchströmten Bauteilen wie Kanäle, Wärmeübertrager und Gehäuse
  • Bestimmen der Randbedingungen für CFD-Simulationen
  • Detektion von Ablösegebieten und anderen Wirbelstrukturen
  • Messung von instationären Strömungen
  • Bestimmen zeitgemittelter Größen in instationären Strömungen

System 1 der Firma Dantec:

  • Doppelpulslaser 532 nm 5ns / 50 mJ zwei Kavitäten maximal 21 Hz
  • FlowSense Kamera 2M mit 1600x1200 Pixel maximal 15 Hz
  • HiSense 610 mit 1600x1200 Pixel maximal 15 Hz

System 2 der Firma Dantec:

  • Doppelpulslaser 532 nm 5ns / 200 mJ zwei Kavitäten maximal 15 Hz
  • 4x FlowSense Kamera EO 4M mit 2048x2048 Pixel maximal 8 Hz
  • Arm zur einfachen Positionierung des Lichtschnittes

Planares PIV (2d2c)

Mit Hilfe des planaren PIV können in einer Ebene die beiden Geschwindigkeitskomponenten bestimmt werden. Vorteilhaft ist die schnelle Einrichtung der Messtechnik und die Visualiserung der Strömung, die einen ersten Eindruck über das Strömungsfeld liefert. Desweiteren kann der Aufbau, der in seiner einfachsten Ausführung mit einer Kamera bestückt ist, um weitere Kameras erweitert werden. Dadurch kann an einem Stück eine Fläche von z.B. 1,8mx0,5m oder 1mx1m untersucht werden. Anwendungsbeispiele sind die Messungen an und in Fahrzeugen oder an großen Ventilatoren.

Stereoskopisches PIV (2d3c)

Unter Verwendung von zwei Kameras kann gegenüber dem planaren PIV zusätzlich die Geschwindigkeit normal zur Betrachtungsebene bestimmt werden. Das folgende Bild zeigt beispielhaft den Austritt der Luft aus einem Axialventilator. Die Messungen wurden mit Paraview ausgewertet und dargestellt.

Volumetrisches PIV (3d3c)

Wird keine Ebene, sondern ein Volumen beleuchtet, dann kann in diesem Volumen die Bewegung der Partikel im Raum verfolgt werden. 

Für die Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors erfolgt zu Beginn eine Rekonstruktion der einzelnen im untersuchten Volumen vorhandenen Partikel. Im zweiten Schritt wird die Verschiebung der Partikel im Raum zwischen zwei Zeitschritten bestimmt. 

Laser / Phase Doppler Anemometry

Weitere Informationen zu dieser Messtechnik können auf der Seite "nichtinvasive Strömungsmesstechnik" gefunden werden.

Veröffentlichungen

Friebe, C.; Velde, O.; Krause, R. & Hackeschmidt, K.
DESIGN AND INVESTIGATION OF A MULTISTAGE AXIAL CONTRA-ROTATING FAN
FAN 2018; International Conference on Fan Noise, Aerodynamcis, Applications and Systems, 18. – 20. 04. 2018, Darmstadt, Germany, 2018, 1-12

Heinrich, M.; Friebe, C. & Schwarze, R.
Experimental and numerical investigation of a gearless one-motor contra-rotating fan
Journal of Power and Energy, 2016, 1-10

Heinrich, M.; Friebe, C.; Bothe, F. & Schwarze, R.
Experimental and numerical investigation of a gearless one-motor contra-rotating fan
FAN 2015, 15.-17.04.2015, Lyon (France), 2015

Buder, R.; Friebe, C.; Hantsch, A. & Kesslau, D.
Geschwindigkeiten und Temperaturen im vertikalen, beheizten Spalt
23. Fachtagung Lasermethoden und Strömungsmesstechnik, 8.-10. September 2015, Dresden, 2015, 1-9

Friebe, C.; Buschmann, M. & Resagk, C.
Transient velocity-temperature correlation in the near-wall region of lazy plume over horizontal surface
The International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon 2014, 2014

Friebe, C.; Yongle, H. & Heinrich, C.
Geschwindigkeiten und Temperaturen im Formierungsbereich eines Auftriebsstrahls über horizontalen Wärmequellen
21. Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmechanik", 03.-05.09.2013, 2013

Preibisch, S.; Dietzel, D.; Friebe, C. & Buschmann, M. H.
Experimental and numerical investigation of dimplelike protrusions employed in recent heat exchangers
13. European Turbulence Conference, 12.-15.09.2011, Warzawa, 2011

Friebe, C.; Buschmann, M. & Preibisch, S.
Experimentelle und numerische Untersuchungen von Dimple-ähnlichen Verformungen auf Wärmeübertrageroberflächen"
19. Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmechanik", 06.-08.09.2011, 2011

Pohl, S.; Buschmann, M. H. & Friebe, C.
Dellen und Noppen in Wärmeübertragern
KI Kälte-Luft-Klimatechnik Juli/August 2010, S.28 ff, 2010

Friebe, C. & Krause, R.
Einfluss der Einbaubedingungen auf die Strömung und die Akustik
6. VDI Fachtagung Ventilatoren,16.-17.11.2010, Braunschweig, 2010

Buschmann, M. & Friebe, C.
Heat Transfer Enhancement employing simple machine elements
Colloqium Fluid Dynamics 2009, Institute of Thermodynamics AS CR, Prag, 2009

 

 


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