Strömungsmesstechnik (eBook)

Herr Professor Nitsche absolvierte ein Studium der Luft- und Raumfahrttechnikin Stuttgart und Berlin (1969-1974)-Promotion an der TU Berlin auf dem Gebietder Strömungsmeßtechnik  (1979)-seit 1993: Universitätsprofessor für Aerodynamik am Institut für Luft- und   Raumfahrt der TU Berlin Arbeitsschwerpunkte: Experimentelle Aerodynamik, Sensorik und Meßtechnik,  Strömungskontrolle

Vorwort zur zweiten Auflage 7
Vorwort zur ersten Auflage 9
Inhaltsverzeichnis 10
Bezeichnungen 13
1. Einführung 16
2. Druckmessung 22
2.1 Bezeichnungen und Definitionen 23
2.2 Messung des Wanddruckes 27
2.3 Druckmesssonden 30
2.3.1 Gesamtdrucksonden 30
2.3.2 Sonden für den statischen Druck 34
2.3.3 Differenzdrucksonden 36
2.4 Druckmessgeäte und - aufnehmer 37
2.4.1 Flüssigkeitsmanometer 38
2.4.2 Elektromechanische Druckaufnehmer 39
2.5 Drucksensitive Farben 43
2.6 Messung von Wanddruckschwankungen 47
2.6.1 Wandmikrofone 47
2.6.2 Polymer-Sensor-Folien (Piezo-Folien) 50
Weiterführende Literatur 55
3. Geschwindigkeitsmessung 56
3.1 Bezeichnungen und Definitionen 58
3.2 Geschwindigkeitsmessung mit Drucksonden 60
3.3 Thermoelektrische Geschwindigkeitsmessverfahren 63
3.3.1 Hitzdrahtanemometrie 64
3.3.2 Pulsdrahtanemometrie 71
3.4 Optische Geschwindigkeitsmessverfahren 74
3.4.1 Laser-Doppler-Anemometrie 74
3.4.2 Laser-2 Fokus-Anemometrie 81
3.4.3 Particle-Image-Velocimetry 83
3.4.4 Laser-Speckle-Anemometrie 90
3.4.5 Teilchenfolgevermögen 92
Weiterführende Literatur 92
4. Wandreibungsmessung 94
4.1 Bezeichnungen und Definitionen 95
4.2 Mechanische Verfahren (Wandschubspannungswaagen) 99
4.3 Thermoelektrische Wandreibungsmessverfahren 102
4.3.1 Oberflächenheißfilmtechnik 102
4.3.2 Oberflachenhitzdraht 107
4.3.3 Wandpulsdraht- und Wandhitzdrahttechnik 109
4.3.4 Mikrotechnologie, Mikrosensorik 113
4.3.5 Vergleich der thermoelektrischen Verfahren 116
4.4 Wandreibungsmessung mit Drucksonden 118
4.4.1 Preston-Rohr-Verfahren 118
4.4.2 Oberflächenzaun, Stantonsonde und Oberflächendraht 126
Vergleichende Betrachtungen 131
4.5 Optische Wandreibungsmessverfahren 132
4.5.1 Ölfilm-Laserinterferometrie 133
4.5.2 Wandgradienten-LDA 136
Weiterführende Literatur 138
5. Temperaturmessung 139
5.1 Bezeichnungen und Definitionen 140
5.2 Thermoelektrische Temperaturmessverfahren 144
5.2.1 Thermoelemente 144
5.2.2 Widerstandsthermometer 149
5.3 Messung von Oberflächentemperaturen 153
5.3.1 Infrarot-Thermogräte 157
5.3.2 Flüssigkristalltechnik 165
Weiterführende Literatur 168
6. Strömungssichtbarmachung 169
6.1 Oberflächenvisualisierung 170
6.1.1 Woll- oder Textilfäden 170
6.1.2 Anstrichverfahren 171
6.2 Visualisierung durch Partikelzugabe 173
6.2.1 Laserlichtschnittverfahren 174
6.2.2 Farbfadenmethode 176
6.2.3 Elektrochemische Visualisierungsverfahren 178
6.3 Optische Verfahren 182
6.3.1 Schlieren-/ Schattenverfahren 182
6.3.2 Interferometrie 186
Weiterführende Literatur 191
7. Spezielle Probleme der Grenzschichtmesstechnik 192
7.1 Wandinterferenzen bei Geschwindigkeits- und Druckmessung 192
7.2 Messtechnische Probleme bei 196
7.2 Messtechnische Probleme bei Grenzschichtablösung 196
7.2.1 Geschwindigkeitsmessungen in Strömungen mit Ablösung 197
7.2.2 Wandschubspannungsmessungen in Strömungen mit 199
7.2.2 Wandschubspannungsmessungen in Strömungen mit Ablösung 199
Weiterführende Literatur 203
8. Signalanalyse 204
8.1 Messwertaufnahme 204
8.2 Analyse von Messwerten 205
8.2.1 Statistische Methoden 205
8.2.2 Fourier-Analyse 208
8.2.3 Simultan-Signalanalyse 210
8.2.4 Filter 213
8.3 Visualisierung von Strömungsdaten 215
Weiterführende Literatur 217
9. Versuchsanlagen 218
9.1 Allgemeine Windkanalkonzepte 218
9.2 Niedergeschwindigkeits- und 220
9.2 Niedergeschwindigkeits- und Unterschallkanäle 220
Strömungskanäle für Flüssigkeiten 221
9.3 Transsonik- und Überschallkanäle 223
9.4 Hochdruck und Kryokanäle 225
Weiterführende Literatur 228
Anhang 230
Index 234

4. Wandreibungsmessung (S. 79-80)

Die experimentelle Ermittlung örtlicher oder auch integraler Reibungskräfte, die ein Fluid infolge seiner Viskosität auf einen Strömungskörper ausübt, ist in der Strömungstechnik im wesentlichen aus zweierlei Gründen von Bedeutung: Zum einen geben die gemessenen Reibungskräfte Aufschluss über die viskositätsbedingten Widerstandsanteile eines Strömungskörpers, wie bereits einleitend in Bild 1.1 gezeigt wurde. Da diese Reibungswiderstände ebenso wie die Druckwiderstände bei jedem technischen Strömungsprozess durch die Antriebsleistung aufgebracht werden müssen, spielen Reibungswiderstände bei der Optimierung von Strömungsprozessen oder auch der Auslegung von umströmten Körpern, z.B. von Flugzeugen, eine ganz wesentliche Rolle. Diese große Bedeutung kann besonders eindrucksvoll an der Gesamtwiderstandsbilanz eines Verkehrs.ugzeugs veranschaulicht werden, Bild 4.1. Aus dieser Bilanz geht hervor, dass die von der umströmenden Luft auf die Flugzeughaut insgesamt ausgeübte Reibungskraft im Reise.ug nahezu 50% des Gesamtwiderstandes ausmacht, dementsprechend die halbe Antriebsleistung aufzehrt und damit letztlich auch den halben Kraftsto.verbrauch verursacht. Gemessene Verteilungen der Reibungskräfte auf einem Tragflügel, wie in Bild 1.2 für einen Windkanalversuch gezeigt wurde, spielen daher eine große Rolle bei der Auslegung moderner Tragflügelprofile.

Neben diesen Widerstandsbetrachtungen spielt die lokale Wandreibung insbesondere auch eine Rolle bei der Beschreibung wandnaher Grenzschichtströmungen, z.B. in Form von Grenzschichtähnlichkeitsgesetzen, Bild 1.5, deren Formulierungen auf Parametern basieren, die auch von der lokalen Wandschubspannung bzw. der Schubspannungsgeschwindigkeit abhängen (siehe nachstehende "Definitionen"). Die Bedeutung der örtlichen Wandreibung für wandnahe Strömungsbereiche spiegelt sich u.a. auch in der Formulierung von Kalibrationsparametern wider, z.B. bei der in Bild 2.9 gezeigten Fehlerbetrachtung für statische Druckmessbohrungen in Abhängigkeit von einer charakteristischen Reynolds-Zahl, in diesem Fall gebildet mit der wandreibungsproportionalen Schubspannungsgeschwindigkeit uô .