Nitsche / Brunn Strömungsmesstechnik

2., aktualisierte und bearbeitete Auflage 2006
ISBN: 978-3-540-32487-4
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 224 Seiten

Reihe: VDI-Buch

Das Buch bietet einen komprimierten Überblick über die etablierten Strömungsmesstechniken einschließlich der neuen Entwicklungen auf dem Gebiet der bildgebenden Messverfahren. Im Vordergrund stehen dabei sowohl die messphysikalischen Grundlagen als auch die praktische Anwendungen der einzelnen Verfahren. Zu den behandelten Problemstellungen gehören zunächst die klassischen Aufgabenstellungen der Druck-, Geschwindigkeits-, Temperatur- und Wandreibungsmessung in Strömungsfeldern bzw. an Strömungskörpern mit Hilfe von Sonden und Sensoren. Einen zentralen Punkt bilden hier jedoch auch die modernen bildgebenden Messverfahren wie die Particle-Image-Velocimetry (PIV), die drucksensitiven Farben (PSP) oder die Infrarot-Thermografie. Diese flächigen Messmethoden werden im Einzelnen erläutert und an typischen Anwendungsbeispielen veranschaulicht. Darüber hinaus werden auch speziellere Probleme der Grenzschichtmesstechnik einschließlich der Anwendung von MEMS-Sensoren diskutiert. Einen gebührenden Raum nehmen die Methoden der Strömungsvisualisierung sowie das Kapitel Versuchsanlagen ein. Die abschließend dargestellten Methoden der Signalverarbeitung und -auswertung helfen, auch bei komplexeren Fragestellungen mit Hilfe der Signalanalyse die relevanten Strömungsphänomene aus den Messsignalen zu extrahieren.

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

Autoren/Hrsg.

Nitsche, Wolfgang

Brunn, André

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort zur zweiten Auflage;7
2;Vorwort zur ersten Auflage;9
3;Inhaltsverzeichnis;10
4;Bezeichnungen;13
5;1. Einführung;16
6;2. Druckmessung;22
6.1;2.1 Bezeichnungen und Definitionen;23
6.2;2.2 Messung des Wanddruckes;27
6.3;2.3 Druckmesssonden;30
6.3.1;2.3.1 Gesamtdrucksonden;30
6.3.2;2.3.2 Sonden für den statischen Druck;34
6.3.3;2.3.3 Differenzdrucksonden;36
6.4;2.4 Druckmessgeäte und - aufnehmer;37
6.4.1;2.4.1 Flüssigkeitsmanometer;38
6.4.2;2.4.2 Elektromechanische Druckaufnehmer;39
6.5;2.5 Drucksensitive Farben;43
6.6;2.6 Messung von Wanddruckschwankungen;47
6.6.1;2.6.1 Wandmikrofone;47
6.6.2;2.6.2 Polymer-Sensor-Folien (Piezo-Folien);50
6.7;Weiterführende Literatur;55
7;3. Geschwindigkeitsmessung;56
7.1;3.1 Bezeichnungen und Definitionen;58
7.2;3.2 Geschwindigkeitsmessung mit Drucksonden;60
7.3;3.3 Thermoelektrische Geschwindigkeitsmessverfahren;63
7.3.1;3.3.1 Hitzdrahtanemometrie;64
7.3.2;3.3.2 Pulsdrahtanemometrie;71
7.4;3.4 Optische Geschwindigkeitsmessverfahren;74
7.4.1;3.4.1 Laser-Doppler-Anemometrie;74
7.4.2;3.4.2 Laser-2 Fokus-Anemometrie;81
7.4.3;3.4.3 Particle-Image-Velocimetry;83
7.4.4;3.4.4 Laser-Speckle-Anemometrie;90
7.4.5;3.4.5 Teilchenfolgevermögen;92
7.5;Weiterführende Literatur;92
8;4. Wandreibungsmessung;94
8.1;4.1 Bezeichnungen und Definitionen;95
8.2;4.2 Mechanische Verfahren (Wandschubspannungswaagen);99
8.3;4.3 Thermoelektrische Wandreibungsmessverfahren;102
8.3.1;4.3.1 Oberflächenheißfilmtechnik;102
8.3.2;4.3.2 Oberflachenhitzdraht;107
8.3.3;4.3.3 Wandpulsdraht- und Wandhitzdrahttechnik;109
8.3.4;4.3.4 Mikrotechnologie, Mikrosensorik;113
8.3.5;4.3.5 Vergleich der thermoelektrischen Verfahren;116
8.4;4.4 Wandreibungsmessung mit Drucksonden;118
8.4.1;4.4.1 Preston-Rohr-Verfahren;118
8.4.2;4.4.2 Oberflächenzaun, Stantonsonde und Oberflächendraht;126
8.4.3;Vergleichende Betrachtungen;131
8.5;4.5 Optische Wandreibungsmessverfahren;132
8.5.1;4.5.1 Ölfilm-Laserinterferometrie;133
8.5.2;4.5.2 Wandgradienten-LDA;136
8.6;Weiterführende Literatur;138
9;5. Temperaturmessung;139
9.1;5.1 Bezeichnungen und Definitionen;140
9.2;5.2 Thermoelektrische Temperaturmessverfahren;144
9.2.1;5.2.1 Thermoelemente;144
9.2.2;5.2.2 Widerstandsthermometer;149
9.3;5.3 Messung von Oberflächentemperaturen;153
9.3.1;5.3.1 Infrarot-Thermogräte;157
9.3.2;5.3.2 Flüssigkristalltechnik;165
9.4;Weiterführende Literatur;168
10;6. Strömungssichtbarmachung;169
10.1;6.1 Oberflächenvisualisierung;170
10.1.1;6.1.1 Woll- oder Textilfäden;170
10.1.2;6.1.2 Anstrichverfahren;171
10.2;6.2 Visualisierung durch Partikelzugabe;173
10.2.1;6.2.1 Laserlichtschnittverfahren;174
10.2.2;6.2.2 Farbfadenmethode;176
10.2.3;6.2.3 Elektrochemische Visualisierungsverfahren;178
10.3;6.3 Optische Verfahren;182
10.3.1;6.3.1 Schlieren-/ Schattenverfahren;182
10.3.2;6.3.2 Interferometrie;186
10.4;Weiterführende Literatur;191
11;7. Spezielle Probleme der Grenzschichtmesstechnik;192
11.1;7.1 Wandinterferenzen bei Geschwindigkeits- und Druckmessung;192
11.2;7.2 Messtechnische Probleme bei;196
11.3;7.2 Messtechnische Probleme bei Grenzschichtablösung;196
11.3.1;7.2.1 Geschwindigkeitsmessungen in Strömungen mit Ablösung;197
11.3.2;7.2.2 Wandschubspannungsmessungen in Strömungen mit;199
11.3.3;7.2.2 Wandschubspannungsmessungen in Strömungen mit Ablösung;199
11.4;Weiterführende Literatur;203
12;8. Signalanalyse;204
12.1;8.1 Messwertaufnahme;204
12.2;8.2 Analyse von Messwerten;205
12.2.1;8.2.1 Statistische Methoden;205
12.2.2;8.2.2 Fourier-Analyse;208
12.2.3;8.2.3 Simultan-Signalanalyse;210
12.2.4;8.2.4 Filter;213
12.3;8.3 Visualisierung von Strömungsdaten;215
12.4;Weiterführende Literatur;217
13;9. Versuchsanlagen;218
13.1;9.1 Allgemeine Windkanalkonzepte;218
13.2;9.2 Niedergeschwindigkeits- und;220
13.3;9.2 Niedergeschwindigkeits- und Unterschallkanäle;220
13.3.1;Strömungskanäle für Flüssigkeiten;221
13.4;9.3 Transsonik- und Überschallkanäle;223
13.5;9.4 Hochdruck und Kryokanäle;225
13.6;Weiterführende Literatur;228
14;Anhang;230
15;Index;234

Leseproben

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 .