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Laseroptische Strömungsmessung
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:
- Particle Image Velocimetry
- 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
Ullrich, S.; Buder, R.; Boughanmi, N.; Friebe, Ch.; Wagner, C.
Numerical Study of the Airflow Distribution in a Passenger Car Cabin Validated with PIV
New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XII, Springer International Publishing, 2020, isbn: 978-3-030-25253-3, doi: 10.1007/978-3-030-25253-3_44
Krause, R.; Friebe, Ch.; Kerscher, M. & Puhle Ch.
Investigations on noise sources on a contra-rotating axial fan with different modifications
Clima 2019 REVHA 13th HVAC World Congress, Bucharest, Romania, 2019
Friebe, C.; Velde, O.; Krause, R. & Hackeschmidt, K.
Sound Source Localisation at an axial contra-rotating fan by means of PIV and rotational beamforming
Proceedings of 13th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics, ETC13, April 8-12, 2019; Lausanne, Switzerland
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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