CH691140A5

CH691140A5 - Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung in einer die Strömung querenden Ebene.

Info

Publication number: CH691140A5
Application number: CH00817/98A
Authority: CH
Inventors: Thorsten Jens Moeller; Karl-Aloys Buetefisch; Juergen Kompenhans
Original assignee: Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 2001-04-30
Also published as: JPH10311748A; DE19702849C2; DE19702849A1; JP2960911B2; US6013921A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung in einer Ebene. Die Strömung kann von einem flüssigen oder insbesondere von einem gasförmigen Fluid ausgebildet werden. Unter dem Massenstrom der Strömung ist der Massendurchsatz des Fluids je Flächeneinheit durch die jeweilige Ebene zu verstehen.

Bekannte Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung in einer Ebene machen von Sonden Gebrauch, die in die Strömung eingebracht werden und dort den Massenstrom punktuell erfassen. Zum Erfassen der Massenstromverteilung über die gesamte Fläche der Ebene müssen dann alle Punkte in der Ebene mit den Sonden angefahren werden. Hierdurch ist es nicht möglich, nur kurzzeitig vorliegende Massenstromverteilungen über die gesamte Fläche der Ebene oder auch nur über Teilbereiche der Ebene zu erfassen. Darüber hinaus führt das Einbringen der Sonde in die Strömung zwangsläufig zu einer unerwünschten Veränderung der Strömung.

Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung in einer Ebene aufzuzeigen, mit dem die Massenstromverteilung für alle Punkte der jeweiligen Ebene gleichzeitig und ohne Störung der Strömung erfassbar ist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäss Patentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung geht aus von einer Strömung eines Fluids, das lichtstreuende Teilchen mit sich führt. Zwischen dem Fluid und den einzelnen Teilchen muss in einem Lichtschnitt ein ausreichender optischer Kontrast gegeben sein, um die Teilchen in dem Lichtschnitt zu individualisieren. Vorzugsweise ist das Fluid klar. Gute Randbedingungen sind beispielsweise automatisch bei leicht mit Staub versetzter Luft gegeben. Bei der Untersuchung von Strömungen werden lichtstreuende Teilchen zudem häufig künstlich zugesetzt, um die Geschwindigkeit der jeweiligen Strömung nach Verfahren der sogenannten Particle-Image-Velocimetry (PIV) zu bestimmen. Das neue Verfahren setzt nur voraus, dass von dem strömenden Fluid ausreichend kontraststarke lichtstreuende Teilchen mitgeführt werden. Deren Herkunft spielt hingegen keine Rolle.

Die mit dem Fluid mitgeführten Teilchen stehen bei dem neuen Verfahren für den Massenstrom des Fluids selbst. Hierbei ist vorausgesetzt, dass die Teilchen dem Fluid reibungslos folgen und dass die Konzentration der Teilchen in dem Fluid definiert ist und ihre Anzahl konstant bleibt, d.h. keine Teilchen verschwinden oder hinzukommen. Dies setzt noch keine homogene Konzentration der Teilchen in dem Fluid voraus. Eine quantitative Beziehung zwischen der bei dem neuen Verfahren bestimmten Verteilung der Abbilder der Teilchen in dem Bild zu dem zu erfassenden Massenstrom ist jedoch nur bei genau bekannter Konzentration der Teilchen in dem Fluid gegeben. Ist dies der Fall, so ist die lokale Dichte der Abbilder der Teilchen in dem Bild dem lokalen Massenstrom in der Ebene direkt proportional.

Aber auch bei unbekannten und nicht homogenen Konzentrationen der Teilchen in dem Fluid kann aus den bei dem neuen Verfahren aufgezeichneten Bildern eine sinnvolle Aussage gewonnen werden. So kann die Verteilung der Abbilder der Teilchen in einem Bild mit einer zuvor aufgezeichneten Verteilung qualitativ verglichen werden. Wenn sich hierbei deutliche Verschiebungen der lokalen Dichtemaxima der Abbilder der Teilchen ergeben, hat sich die Strömung zwischen der Aufnahme der beiden Bilder verändert. In einer konkreten Anwendung kann auf diese Weise überprüft werden, ob in einem durchströmten Rohr oder einem durchströmten Gang ein Hindernis aufgetreten ist.

Ideal sind die Voraussetzungen für die Durchführung des neuen Verfahrens, wenn die Verteilung der Teilchen quantitativ mit einer bestimmten Dichte der Abbilder verglichen werden kann, die einem bestimmten Massenstrom entspricht. Hierfür muss nicht die absolute Konzentration der Teilchen in dem Fluid bekannt sein. Vielmehr kann im Sinne einer Eichung durch Messungen mit einer Massenstrom-Sonde eine bestimmte Dichte der Abbilder der Teilchen einem bestimmten Massenstrom zugeordnet werden. Hieraus kann dann der Massenstrom an anderen Punkten der Ebene auf einfachstem Weg berechnet werde.

Die bestimmte Dichte der Abbilder der Teilchen kann aus einem Bild der Teilchen ermittelt werden, das den gesamten Querschnitt der Strömung erfasst. Aus einem bekannten Gesamtdurchsatz der Strömung und den Abmessungen des Querschnitts ist auf der einen Seite der mittlere Massenstrom berechenbar, während auf der anderen Seite die mittlere Dichte der Abbilder der Teilchen genau diesem mittleren Massenstrom entspricht. Höhere Dichten entsprechen grösseren Massenströmen, geringere Dichten kleineren Massenströmen.

Die bestimmte Dichte kann an derselben Stelle bestimmt werden, an der auch die in Erfassung des interessierenden Massenstroms erfolgt. Häufig ist es aber günstiger, wenn für die Ermittlung der bestimmten Dichte eine Kontrollebene vorgesehen wird, in der der gesamte Querschnitt der Strömung besonders leicht erfassbar ist. In der interessierenden Ebene ist es dann nicht notwendig, den gesamten Querschnitt der Strömung zu erfassen, was unter vielen Versuchsbedingungen mit einem einzigen Lichtschnitt auch überhaupt nicht möglich wäre.

Vorzugsweise ist die Kontrollebene stromauf der interessierenden Ebene angeordnet. In diesem Fall können auch Verzweigungen der Strömung zwischen der Kontrollebene und der interessierenden Ebene auftreten, ohne dass dies die Auswertbarkeit der Erfassung der durch den Lichtschnitt um die interessierende Ebene hindurchtretenden Teilchen negativ beeinflusst.

Verfälscht werden können die Ergebnisse des neuen Verfahrens durch Rückströmungen, die in dem Bereich des Lichtschnitts auftreten. Hierdurch wird die absolut durch den Lichtschnitt hindurchtretende Anzahl von Teilchen erhöht. Diese Erhöhung entspricht aber keinem grösseren Massenstrom, da zwei in entgegengesetzten Richtungen durch den Lichtschnitt hindurchtretende Teilchen den Massenstrom effektiv nicht erhöhen. Wenn mit Rückströmungen gerechnet werden muss, kann es daher sinnvoll sein, die Massenstromverteilung in zwei bezüglich der Strömung hintereinanderliegenden Ebenen nach dem neuen Verfahren zu erfassen. Bereiche starker Rückströmung fallen dann im Vergleich zu der zweiten Ebene durch scheinbar übermässig grosse Massenströme beziehungsweise übermässig grosse Dichten von Abbildungen der Teilchen in dem jeweiligen Lichtschnitt auf.

Neben dem einfach belichteten Bild der Teilchen in dem Lichtschnitt kann auch ein doppelt belichtetes Bild der Teilchen in dem Lichtschnitt aufgezeichnet werden, um die Strömungsgeschwindigkeiten in der Ebene nach einem PIV-Verfahren zu bestimmen. Derartige PIV-Verfahren sind bekannt.

In Verbindung mit der Erfindung kann auch eine abgewandelte Form des PIV-Verfahrens zur Anwendung gebracht werden, bei der die Teilchen nacheinander in zwei parallel zueinander angeordneten und sich nur teilweise überdeckenden Lichtschnitten belichtet werden. Auf diese Weise ist auch eine Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zu der Ebene der einzelnen Lichtschnitte ermittelbar.

Die Teilchen können, wie bereits erwähnt wurde, natürlich in der Strömung vorkommende Teilchen sein. Sie können der Strömung aber auch künstlich zugesetzt werden. Dann ist es besonders interessant, die Teilchen der Strömung in einer bestimmten Konzentration zuzusetzen. Mit dieser Konzentration kann eine bestimmte Dichte der abgebildeten Teilchen in einen bestimmten Massenstrom umgerechnet werden. Dies soll anhand eines Rechenbeispiels nachfolgend verdeutlicht werden.

Die Anzahl N der abgebildeten Teilchen ergibt sich genau aus folgender Gleichung (I):

N = (A * d + A * v * t) * K * r,

dabei ist A die erfasste Fläche des Lichtschnitts, das heisst die Fläche der Ebene, über die der hindurchtretende Massenstrom erfasst werden soll, d die Dicke des Lichtschnitts, v die Geschwindigkeit der Teilchen, t die Belichtungsdauer der Aufzeichnung, K die Konzentration der Teilchen pro Kilogramm Fluid und r die Dichte des Fluids. Unter der Annahme, dass der Summand A*d viel kleiner als der Summand v*t*A ist, vereinfacht sich die obige Gleichung zur Gleichung (II):

N = v * t * A * K * r.

Der Massenstrom r * v in der Einheit Kilogramm pro Quadratmeter und Sekunde ergibt sich danach aus Gleichung (III) zu:

r * v = N/A * 1 / (t * K).

N/A ist die Dichte der abgebildeten Teilchen bezogen auf die Fläche der betrachteten Ebene. Ein Vergrösserungs- oder Verkleinerungsfaktor f, der die Vergrösserung beziehungsweise Verkleinerung bei der Abbildung der Fläche berücksichtigt, lässt statt der Fläche A auch die Fläche a in dem Bild der Teilchen verwenden. Danach gilt Gleichung (IV):

r * v = N/a * f / (t * K).

Hiervon ist N/a leicht aus dem Bild der Teilchen zu bestimmen. Bei f/(t * K) handelt es sich um eine aus bekannten Grössen ermittelbare Konstante unter deren Verwendung sich der Massenstrom r * v problemlos berechnen lässt. Aus dem Massenstrom ergibt sich bei bekannter Geschwindigkeit v die Dichte, beziehungsweise bei konstanter Temperatur der Druck des Fluids und bei bekannter Dichte die Geschwindigkeit des Fluids.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben. Dabei skizziert

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Verfahrens,
Fig. 2 drei verschiedene, bei dem Verfahren gewonnene Bilder zur Bestimmung von Massenströmen in stark schematisierter Darstellung,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Verfahrens und
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein Rohr 1 wiedergegeben, in dem in Richtung eines Pfeils 2 ein Fluid 3 strömt, das ein Gas sein möge. Das Fluid 3 führt Teilchen 4 mit, die im Bereich eines Fensters 16 in dem Rohrs 1 durch einen Lichtschnitt 5 hindurchtreten und dabei beleuchtet werden. Der Lichtschnitt 5 wird von einer Lichtquelle 6 ausgeleuchtet, bei der es sich vorzugsweise um einen Laser handelt und der eine als Zylinderlinse 15 angedeutete Optik nachgeschaltet ist. Der Lichtschnitt 5 erstreckt sich über den gesamten Querschnitt der Strömung, er weist aber nur eine vernachlässigbare Dicke d 7 um eine geometrische Ebene 8 herum auf. Die durch den Lichtschnitt 5 hindurchtretenden Teilchen 4 werden von einer Abbildungsoptik 9 auf einen Bildsensor 10 abgebildet. Hierbei kann es sich um einen CCD-Sensor handeln.

Mit dem Bildsensor 10 wird für eine Zeit t ein Bild von durch den Lichtschnitt hindurchtretenden Teilchen 4 aufgezeichnet. Die Belichtungszeit t kann durch die Ansteuerung des Bildsensors 10 oder durch die Lichtquelle 6 festgelegt werden, insbesondere wenn die Lichtquelle 6 ein Pulslaser ist. Das Bild des Bildsensors 10 wird von einem Framegrabber 11 digitalisiert und einer digitalen Auswerteeinheit 12 zugeführt. Die Auswerteeinheit 12 bestimmt aus den lokalen Dichten der Abbilder der Teilchen in dem Bild den lokalen Massenstrom durch die Ebene 5. Um den lokalen Massenstrom quantitativ bestimmen zu können, muss entweder die Konzentration K der Teilchen 4 in dem Fluid 3 bekannt sein oder es muss zumindest der Gesamtmassenstrom des Fluids 3, das heisst dessen Durchsatz durch das Rohr 1, bekannt und die Konzentration K der Teilchen in dem Fluid 3 homogen sein.

Auch ohne Kenntnis dieser Werte ist aber eine qualitative Auswertung der Bilder der durch den Lichtschnitt 5 hindurchtretenden Teilchen 4 in sinnvoller Weise möglich. Fig. 2a zeigt beispielsweise ein Bild, wie es am Ausgang eines laminar durchströmten, rechteckigen Rohrs 1 bei der Durchführung des Verfahrens gemäss Fig. 1 aufgezeichnet wird. Die Abbilder der Teilchen 4 konzentrieren sich auf die freie Mitte des Rohrs, in der das Fluid 3 nicht durch Reibungen mit der Wandlung des Rohrs 1 abgebremst wird. In Fig. 2b ist dem gegenüber der Fall einer stark turbulenten Durchströmung desselben Rohrs 1 dargestellt.

Hier ist die Konzentration der Abbilder der Teilchen 4 nahezu homogen, da durch die Verwirbelung des Fluids 3 keine die Verteilung des Massenstroms über den Querschnitt des Rohrs 1 vergleichmässigt ist. Fig. 2c zeigt wiederum einen Fall der laminaren Durchströmung des Rohrs 1. Hier konzentrieren sich die Abbilder der Teilchen 4 auf die obere Hälfte, weil sich in der unteren Hälfte des Rohrs 1 ein Hindernis befindet, das von dem Fluid 3 nicht durchströmt werden kann. Ein solches Hindernis ist anhand der Massenstromverteilung über den Querschnitt des Rohrs 1 feststellbar, auch wenn dieses Hindernis vom freien Ende des Rohrs 1 direkt nicht sichtbar ist. Allerdings tritt die in Fig. 2c dargestellte Dichteverteilung der Abbilder der Teilchen 4 nur bei einem kurz vor dem freien Ende des Rohrs 1 vorliegenden Hindernis im unteren Bereich des Rohrs auf.

Weiter hinter dem Hindernis wäre aber immer noch eine Verringerung der absoluten Teilchenanzahl festzustellen, falls das Hindernis einen Teil der Teilchen zurückhält.

Die Abbildung der durch den Lichtschnitt 5 hindurchtretenden Teilchen 4 muss nicht senkrecht zu der Ebene 8 erfolgen. Bei einer Abbildung unter einem Winkel ist jedoch insbesondere bei einer quantitativen Auswertung nach dem Massenstrom die sich hieraus ergebende Verzeichnung zu berücksichtigen.

Fig. 3 gibt einen Aufbau für eine abgewandelte Ausführungsform des neuen Verfahrens wieder. Hierbei werden nicht nur die am Ende des Rohrs 1 durch den Lichtschnitt 5 hindurchtretenden Teilchen 4 abgebildet. Vielmehr ist eine zweite Lichtquelle 6 min zur Ausleuchtung eines zweiten Lichtschnitts 5 min um eine Kontrollebene 8 min vor den Eingang des Rohrs 1 vorgesehen. Hiermit wird die Strömung, die in Richtung des Pfeils 2 min in das Rohr 1 eintritt über ihren gesamten Querschnitt von der Abbildungsoptik 9' und dem Bildsensor 10 min erfasst. Dem gegenüber erfasst die Abbildungsoptik 9 zusammen mit dem Bildsensor 10 nur einen Teilbereich der aus dem Ende des Rohrs 1 austretenden Strömung.

Die aus der Kontrollebene 8 min gewonnenen Informationen lassen trotzdem die quantitative Aussage zu, welcher Anteil des in das Rohr 1 eintretenden Massenstroms durch den von der Abbildungsoptik 9 erfassten Bereich der Ebene 8 hindurchtritt. Dies ist insbesondere deshalb interessant, weil der Lichtschnitt 5 durch einen in der Strömung angeordneten umströmten Körper 14 gehindert ist, die Strömung über ihren gesamten Querschnitt zu erfassen.

Die in Fig. 4 skizzierte Ausführungsform des Verfahrens bezieht sich wieder auf das durchströmte Rohr als Beispiel. Hier ist aber durch den Pfeil 2 angedeutet, dass direkt am Ausgang des Rohrs irgendeine Rückströmung auftritt. Der durch die Pfeile 2 dargestellte Strömungsverlauf ist zwar nicht unbedingt realistisch. Er macht aber das zugrundeliegende Problem deutlich. Durch den Lichtschnitt 5 um die Ebene 8 treten die Teilchen, deren Bewegungsbahn die Pfeil 2 wiedergeben, dreimal hindurch.

Dies suggeriert bei dem neuen Verfahren einen dreimal höheren Gesamtmassenstrom durch die Ebene 8 als er netto gegeben ist. Bemerkt wird dies durch die zusätzliche Durchführung des Verfahrens an der parallelen Ebene 8 min min , die von derartigen Rückströmungen nicht betroffen ist. Zur Abbildung der durch die Ebenen 8 und 8 min min hindurchtretenden Teilchen kann eine einzige Abbildungsoptik 9 und zur Aufzeichnung der entsprechenden Bilder ein einziger Bildsensor 10 vorgesehen sein. Allerdings ist auf eine Trennung der Bilder von beiden Lichtschnitten 5 und 5 min min zu achten. Beispielsweise können die Lichtschnitte 5 und 5 min min zu diesem Zweck alternierend ausgeleuchtet werden. Am Eingang des Rohrs 1 ist in Fig. 4 ein Aerosolgenerator 13 angedeutet, der das anströmende Fluid 3 mit den Teilchen 4 in einer genau vorgegebenen Konzentration K versetzt.

Diese bekannte Konzentration lässt die quantitative Auswertung der Dichten der Abbilder der Teilchen 4 in Massenströme bestimmter Grösse zu.

Die für das neue Verfahren notwendigen Vorrichtungen ermöglichen auch die Durchführung bekannter PIV-Verfahren zur Bestimmung der Teilchengeschwindigkeiten in dem jeweiligen Lichtschnitt 5. Ein herkömmliches PIV-Verfahren erfasst jedoch nur die Geschwindig keitskomponenten der Teilchen in der Ebene des jeweiligen Lichtschnitts. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Lichtschnitt senkrecht zu der Hauptbewegungsrichtung der Strömung in Richtung der Pfeile 2 angeordnet. Das neue Verfahren ist aber auch bei einem unter einem Winkel zu der Strömung verlaufenden Lichtschnitt durchführbar. Eine quantitative Auswertung bleibt so lange möglich, wie die effektive Dicke des Lichtschnitts für die hindurchtretenden Teilchen deutlich kleiner bleibt, als der während der Belichtungsdauer t des jeweiligen Bilds von den einzelnen Teilchen zurückgelegte Weg.

Für ein PIV-Verfahren sind dies allerdings relativ ungünstige Randbedingungen.

Bezugszeichenliste

1 - Rohr
2 - Pfeil
3 - Fluid
4 - Teilchen
5 - Lichtschnitt
6 - Lichtquelle
7 - Dicke
8 - Ebene
9 - Abbildungsoptik
10 - Bildsensor
11 - Framegrabber
12 - Auswerteeinrichtung
13 - Aerosolgenerator
14 - Körper
15 - Zylinderlinse
16 - Fenster

Claims

1. Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung in einer die Strömung querenden Ebene (8), bei dem ein Lichtschnitt (5) der Dicke d (7) parallel zur Ebene ausgebildet wird, innerhalb welchem die Ebene (8) liegt, bei welchem Verfahren während eines definierten Zeitintervalls DELTA t ein Bild von mit der Strömung mitgeführten und durch den Lichtschnitt (5) hindurchtretenden Teilchen (4) aufgezeichnet wird, und bei dem die Verteilung der Abbilder der Teilchen (4) in dem Bild ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Dichte der Abbilder der Teilchen (4) in dem Bild als Mass für den lokalen Massenstrom durch die Ebene (8) verwendet wird.

3.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Abbilder der Teilchen (4) in dem Bild mit einer zuvor aufgezeichneten Verteilung qualitativ verglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Teilchen (4) quantitativ mit einer bestimmten Dichte der Abbilder der Teilchen verglichen wird, die einem bestimmten Massenstrom entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Dichte aus einem Bild der Teilchen (4) ermittelt wird, das den gesamten Querschnitt der Strömung erfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Dichte bei der zusätzlichen Erfassung der Massenstromverteilung in einer Kontrollebene (8 min ) ermittelt wird.

7.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollebene (8 min ) stromauf der Ebene (8) angeordnet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenstromverteilung in zwei bezüglich der Strömung hintereinanderliegenden Ebenen (8, 8 min min ) erfasst wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem einfach belichteten Bild der Teilchen (4) in dem Lichtschnitt (5) ein doppelt belichtetes Bild der Teilchen in dem Lichtschnitt aufgezeichnet wird, um die Strömungsgeschwindigkeiten in der Ebene nach einem PIV-Verfahren zu bestimmen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (4) der Strömung in einer bestimmten Konzentration zugesetzt werden.

11.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Dichte N/A der abgebildeten Teilchen (4) nach folgender Gleichung auf den Massenstrom geschlossen wird: N = (A * d + A * v * t) * K * r, wobei A eine rechnerisch erfasste Fläche des Lichtschnittes (5), d die Dicke (7) des Lichtschnittes (5), v die Geschwindigkeit der Teilchen (4), t ein Zeitintervall gegeben durch die Belichtungsdauer der Aufzeichnung, K die Konzentration der Teilchen (4) im Massenstrom und r die Dichte des Massenstromes darstellt.

12.

Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d (7) des Lichtschnittes (5) mit der Fläche A und das Zeitintervall DELTA t derart gewählt wird, dass das Volumen A * d des erfassten Lichtschnittes (5) im Verhältnis zum im definierten Zeitintervall DELTA t erfassten Volumen v * t * A des mit der Geschwindigkeit v durch den Lichtschnitt (5) strömenden Massenstroms rechnerisch vernachlässigbar ist, sodass folgende Vereinfachung der Gleichung gemäss Anspruch 11 anwendbar ist: N = v * t * A * K* r.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung der durch den Lichtschnitt (5) hindurchtretenden Teilchen (4) senkrecht zur Ebene (8) erfolgt.