DE10057924A1

DE10057924A1 - Anordnung zur Messung und visuellen Darstellung von Wirbeln und Druckschwankungen in strömenden Medien

Info

Publication number: DE10057924A1
Application number: DE2000157924
Authority: DE
Inventors: Lothar Zipser; Stefan Lindner
Original assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2020-11-23
Also published as: DE10057924C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung und visuellen Darstellung von Wirbeln und selbst geringen Druckschwankungen, die jeweils periodisch oder zumindest wiederholt in durchsichtigen strömenden Medien, vorzugsweise in strömenden Gasen, auftreten. Mit dieser Anordnung gelingt es, das Auftreten von unsichtbaren Wirbeln und örtlich begrenzten geringen Druckschwankungen in Gasen mit hoher örtlicher Auflösung berührungslos und ohne Zusatzstoffe und damit rückwirkungsfrei zu erfassen und anschließend in einer Animation in statischen oder beweglichen Bildern darzustellen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung und visuellen Darstellung von Wirbeln und Druck schwankungen, die periodisch in durchsichtigen strömenden Medien, vorzugsweise in strömenden Gasen auftreten. Solche Messungen sind hauptsächlich in der Fluidtechnik, Strömungsmechanik, Strömungs akustik, Luftfahrt- und Fahrzeugindustrie, Lärmbekämpfung, akustischen Sensorik, Ultraschalltechnik, experimentellen Physik und im Blasinstrumenten- und Orgelbau sowie für eine anschauliche Wissens vermittlung von Interesse.

Stand der Technik

Die Sichtbarmachung von Wirbeln und Druckschwankungen, die jeweils periodisch oder zumindest wie derholt in strömenden Medien auftreten, ist eine seit langem bestehende Aufgabe. Druckschwankungen in strömenden Medien werden beispielsweise durch Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit hinter Störkörpern, an Kanten oder Schneiden verursacht. Solche Druckschwankungen sind meist die Ursache von Wirbeln und deshalb von besonderem Interesse.

Verfahren zur Sichtbarmachung geringer periodischer Druckschwankungen in strömenden Medien sind nicht bekannt geworden. Sehr hohe Druckunterschiede und damit auch erhebliche Dichteunterschiede in strömenden Gasen, wie sie beispielsweise beim Verdichtungsstoß in einem Überschalldiffusor auftreten, lassen sich mit Hilfe eines Interferometers sichtbar machen. Bei mittleren oder geringen Druckschwan kungen, wie sie beispielsweise in der strömenden Luft von Blasmusikinstrumenten oder Pfeifen, oder im Wind oder anderen Strömungen mit niedriger Reynoldszahl auftreten, ist dieses Verfahren nicht anwend bar.

Zur Sichtbarmachung von Wirbeln werden üblicherweise in einem zunächst laminar strömenden durch sichtigen Medium an definierten Stellen in das Medium optisch markierende Zusatzstoffe, die sogenann ten Tracer, hinzugegeben. Als Tracer werden häufig farbige Gase, Nebel, Rauch, Stäube oder dünne Fä den benutzt. Seltener sind als Tracer auch Gase mit einer optischen Brechzahl, die sich von der Brechzahl des zu untersuchenden Medium unterscheidet, gebräuchlich. Durch optische Verfahren lässt sich das Gas mit der geänderten Brechzahl im zu untersuchenden Medium sichtbar machen. Über die Bewegung der sichtbaren oder sichtbar gemachten Tracer im strömenden Medium werden Wirbel erkennbar und ihre räumliche Größe lässt sich bestimmen. Das gelingt jedoch nur dann, wenn es vor den Wirbeln nicht zu einer weitgehenden Durchmischung des Tracers mit dem strömenden Medium selbst gekommen ist. In größerer Entfernung von der Eingabestelle der Tracer in das Medium ist die Durchmischung häufig schon so weit fortgeschritten, dass ein Nachweis von Wirbeln kaum noch möglich ist. Tracer markieren den Ort, die Dreh- und Fortbewegungsrichtung von Wirbeln. Tracer können auch zur Bestimmung der Drehge schwindigkeit von Wirbeln genutzt werden. Aussagen zur akustischen Wirksamkeit von Wirbeln bei der Entstehung von Schallwellen oder zum Druck in den Wirbeln sind aus der Bewegung von Tracern nicht oder nur bedingt ableitbar. Für sehr kleine Wirbel sind die Tracer-Verfahren wenig geeignet.

Eine weitere Möglichkeit zur Messung und Darstellung von Wirbeln in strömenden Medien besteht in der Abtastung des Mediums mit einem Laser-Anemometer. Ein Laser-Anemometer erfasst über den Doppler- Effekt die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums in einem Messvolumen von wenigen Kubikmillimetern. Dieses Messvolumen muss jedoch kleine mitbewegte Teilchen enthalten, an denen der Laserstrahl des Anemometers reflektiert werden kann. Diese Teilchen können natürliche Verunreinigun gen im strömenden Medium, beispielsweise der Staub in der Luft oder kleinste Festkörper oder Mikroben im Wasser sein. Reichen diese Verunreinigungen nicht aus, müssen zusätzliche Tracer eingesetzt werden. Die Messung von Wirbeln in strömenden Medien mit einem Laser-Anemometer ist sehr aufwendig.

Elektrische Funkenstrecken lassen sich ebenfalls zum Nachweis von Wirbeln in strömenden Gasen nut zen. Dazu wird quer zur Strömungsrichtung eine elektrische Funkenstrecke aufgebaut und diese mit ho hen Spannungen beaufschlagt. Ist die Überschlagsspannung erreicht, bildet sich zwischen den Elektroden der Funkenstrecke ein Lichtbogen aus. Dieser wird durch das strömende Gas erheblich deformiert. Die Art der Deformation des Lichtbogens liefert Information über das Vorhandensein von Wirbeln.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, auf der Basis handelsüblicher Geräte eine Messanordnung zu schaffen, die einen Nachweis von Wirbeln und Druckschwankungen, die jeweils periodisch oder zumindest wiederholt in strömenden durchsichtigen Medien, vorzugsweise in strömenden Gasen auftreten, ermöglicht, ohne dass die Wirbel oder die Druckschwankungen durch die Messanordnung merklich beeinflußt werden und ohne dass zusätzliche optisch wirksame Zusatzstoffe dem strömenden Medium zugeführt werden müssen. Au ßerdem sollen mit der Anordnung die Drücke in den Wirbeln und in den Bereichen örtlicher Druck schwankungen gemessen werden können. Die Ergebnisse sollen anschließend zur visuellen Darstellung gebracht werden, um einen optischen Eindruck vom Entstehen örtlich begrenzter Bereiche geringer Druckschwankungen, ihrer Fortbewegung im strömenden Medium und ihrer Auflösung bzw. Umwand lung z. B. in Wirbel, Wirbelstraßen, Wirbelfelder oder in Schallwellen zu erhalten.

Die Messanordnung soll bereits bei kleinsten örtlich begrenzten Bereichen von Druckschwankungen und kleinsten Wirbeln von jeweils nur wenigen Quadratmillimetern und bei nur geringen Druckänderungen von einigen Pascal und in durchsichtigen Medien, die in freien Räumen, in Kanälen oder in geschlosse nen Kammern strömen, einsetzbar sein.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Bekanntlich wird bei einem Laser-Doppler-Interferometer ein Laser-Messstrahl von einer physikalischen Größe so beeinflusst, dass ein Frequenzhub gegenüber einem unbeeinflußten Laser-Referenzstrahl ent steht. Aus dem Betrag eines gemessenen Frequenzhubs lassen sich Rückschlüsse auf die den Laser- Messstrahl beeinflussende Größe ziehen. Durch den Doppler-Effekt bedingte Frequenzhübe zwischen Mess- und Referenzstrahl können beispielsweise durch Änderungen der Wegstrecke des Messstrahls oder durch Änderungen der optischen Brechzahl entlang der Wegstrecke des Messstrahls verursacht werden. Je größer die Änderungsgeschwindigkeit der Wegstrecke oder der Brechzahl ist, desto größer ist der resul tierende Frequenzhub. Laser-Doppler-Interferometer werden deshalb vorzugsweise zur Messung der Ge schwindigkeit von Objekten genutzt. Vibrieren diese Objekte, so kann auch deren Schwinggeschwindig keit, d. h. deren Schnelle, gemessen werden. Durch Integration der Schwinggeschwindigkeit lässt sich auch der Schwingweg, d. h. die Auslenkung eines vibrierenden Objektes, bestimmen. Laser-Doppler- Interferometer heißen deshalb oft auch Vibrometer.

Eine besonders komfortable Art von Vibrometern sind scannende Vibrometer. Sie tasten mit einem Laser strahl vibrierende Objekte an diskreten Punkten ab. An den Abtastpunkten werden aus dem jeweils re flektierten Messstrahl zunächst die aus dem Doppler-Effekt resultierenden Frequenzhübe und daraus die Vibrationsgeschwindigkeiten oder nach einer Integration die Auslenkungen der vibrierenden Objekte ermittelt. Die Gesamtheit der Abtastergebnisse wird mittels Animation anschaulich als vibrierend Objekt fläche dargestellt. Auf diese Weise lassen sich auch minimale, an sich unsichtbare Vibrationen von Ob jekten sichtbar machen.

Wird der Messstrahl eines scannenden Vibrometers auf eine absolut unbewegliche Wand gerichtet, ent stehen im Ergebnis der Abtastung keine Frequenzhübe und über die Animation wird erwartungsgemäß nicht eine vibrierende, sondern eine unbewegte Wandfläche dargestellt.

Befindet sich jedoch in dem Raum zwischen dem scannenden Vibrometer und der unbeweglichen Wand ein strömendes Gas in dem Wirbel oder Druckschwankungen, die jeweils periodisch oder zumindest wie derholt auftreten und wird die scannende Abtastung mit dem Vibrometer in der üblichen Weise durchge führt, zeigt die Animation überraschender Weise nicht eine vollständig unbewegliche Wandfläche. Viel mehr treten innerhalb der unbeweglichen Wandfläche begrenzte, sich zeitlich und/oder örtlich verändern de Bereiche auf, die anders markiert sind als die unbewegliche Wandfläche. Das ist auch dann der Fall, wenn zweifelsfrei nachgewiesen werden kann, dass die Wand tatsächlich unbeweglich ist. Die anders markierten Bereiche können in diesem Fall nur ein Abbild von örtlich begrenzten Druckschwankungen im strömenden Gas oder daraus resultierender Wirbel sein.

Örtlich begrenzte Bereiche von Druckschwankungen in strömenden Gasen können beispielsweise durch örtlich ungleiche Strömungsgeschwindigkeiten im Gas entstehen. Ungleiche Strömungsgeschwindigkei ten ergeben sich, wenn ein zunächst gleichmäßig strömendes Gas auf ein Hindernis trifft. Hinter dem Hindernis treten im strömenden Gas Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede auf, die meist zu periodisch auftretenden örtlich begrenzten Druckschwankungen und schließlich zu periodisch auftretenden Wirbeln führen. Bekanntestes Beispiel dafür ist die Karmansche Wirbelstraße.

Gemäß vorliegender Erfindung wird also der Messstrahl des Vibrometers durch Bereiche mit Druck schwankungen im strömenden Gas, die zu Bereichen mit Dichteschwankungen und damit zu örtlich be grenzten Änderungen der Brechzahl des Gases führen, geschickt. Dabei wird der Messstrahl durch die sich ändernde Brechzahl beeinflusst. Der von der starren Wand zum Vibrometer zurückreflektierte Mess strahl wird dann wie üblich im Vibrometer mit einem unbeeinflussten Referenzstrahl zur Interferenz ge bracht. Die daraus resultierenden Frequenzhübe werden durch Animation visualisiert.

Voraussetzung für eine gute Sichtbarmachung der Druckschwankungen oder der Wirbel ist, dass während der Abtastung zu den einzelnen Messpunkten dem Vibrometer ein Synchronisationssignal zu Verfügung gestellt wird, dass direkt oder indirekt von den periodisch oder zumindest wiederholt auftretenden Druckschwankungen oder den Wirbel abgeleitet ist oder zumindest mit diesen in Zusammenhang steht oder korreliert. Dieses Synchronisationssignal kann z. B. ein von einem Mikrofon aufgenommenes Schall signal sein, das von den Wirbeln erzeugt wurde, oder ein Signal von einem Generator sein, der gleichzei tig die Druckschwankungen oder Wirbel erzeugt.

Mit der vorgestellten Anordnung lassen sich ortsfeste, aber auch mit dem strömenden durchsichtigen Gas sich fortbewegende, örtlich begrenzte, geringe Druckschwankungen oder Wirbel, die periodisch oder zumindest wiederholt auftreten oder ganze Wirbelstraßen bzw. Wirbelfelder rückwirkungsfrei erfassen und darstellen. Dabei können vom scannenden Laser-Doppler-Interferometer aus die Abtastpunkte so dicht gesetzt werden, dass die örtliche Auflösung der örtlich begrenzten Bereiche von Druckschwankun gen oder von Wirbeln nur noch vom Durchmesser des Laserstrahls begrenzt wird.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung, mit dem die Funktion der Anordnung für die Mes sung und visuelle Darstellung von periodisch auftretenden Wirbel in strömender Luft im freien Raum nachgewiesen wurde. Als Wirbelquelle wird eine mit Druckluft betriebene Pfeife eingesetzt, wie sie auch von Fußball-Schiedsrichtern benutzt wird. In die Pfeife eingeblasene Luft strömt mit periodischen Wir beln (3) versehen oberhalb der Schneide aus der Pfeife. Der Laser-Messstrahl eines handelsübliches La ser-Scanning-Vibrometer, in dem die Funktionseinheiten Laser-Doppler-Interferometer (1) Scanningein richtung (2) und Auswerteeinheit (4) zusammengefasst sind, wird nach einem vorgebbaren Abtastraster durch den verwirbelten Luftstrom auf eine starre weiße Wand gerichtet. Der dort diffus reflektierte Laser strahl wird teilweise zum Laser-Scanning-Vibrometer zurück reflektiert und dort mit einem Referenz strahl zur Interferenz gebracht. Die daraus resultierenden Frequenzhübe werden ausgewertet. Die nach folgende Animation der Frequenzhübe zeigt die aus der Pfeife in gleichmäßigen Abständen austretenden Wirbel als bewegte meist kreisförmige Flächen. Diese Wirbelstraße löst sich im Verlauf ihrer Fortbewe gung auf und wandelt sich teilweise in Schall um. Dieser Schall wird von einem Mikrofon (6) aufge nommen und als Synchronisationssignal dem Laser-Scanning-Vibrometer zugeführt.

Auf analoge Weise wurden mit dem Laser-Scanning-Vibrometer periodische örtlich begrenzte Druck schwankungen und Wirbel in einem planaren fluidisch-akustischen Oszillator, d. h. in einem geschlosse nem Raum, ermittelt und dargestellt. Dieser Oszillator besteht aus einer starren Grundplatte, einer darauf liegenden Oszillatorplatte, in der Strömungskanäle und Resonanzräume ausgespart sind und einer weite ren darauf liegenden Deckplatte, in die Anschlüsse für Druckluft zu den Strömungskanälen eingelassen sind. Die drei Platten sind fest miteinander verschraubt. Die Deckplatte ist durchsichtig ausgeführt. Die Oszillatorplatte und damit auch die Strömungskanäle und Resonanzkammern haben eine Höhe von 1,5 Millimetern. Die Breite der Strömungskanäle liegt auch bei 1,5 mm. Wird Druckluft durch die Strö mungskanäle und die Resonanzräume geschickt, bilden sich an Schneiden und Kanten sowohl kleinste, ortsfeste periodische Wirbel, als auch sich fortbewegende örtlich begrenzte Bereiche von Druckschwan kungen aus, die sich mit der strömenden Druckluft fortbewegen. Beide Phänomene werden nach dem oben beschriebenen Verfahren sichtbar gemacht, indem der Laser-Messstrahl des Laser-Doppler- Vibrometers nach einem Abtastraster durch die durchsichtige Deckplatte in die Strömungskanäle oder Resonanzräume geschickt, dort durch die Brechzahlschwankungen beeinflußt und an der starren Grund platte reflektiert wird und so teilweise wieder zum Vibrometer gelangt und dort ausgewertet wird. Die Gesamtheit der Abtastpunkt ergibt in der Animation kreisförmige oder auch in schmalen Kanälen ver zerrte markiert Flächen, die mit periodischer Intensität ortsfest sind oder sich in den Strömungskanälen oder Resonanzräumen mit der strömenden Druckluft fortbewegen.

Claims

1. Anordnung zur Messung und Darstellung von Wirbeln und Druckschwankungen in strömenden Me dien, vorzugsweise in strömenden Gasen, wobei die Wirbel und die Druckschwankungen periodisch oder zumindest wiederholt auftreten müssen und die strömenden Medien durchsichtig sein müssen, bestehend aus einem Laser-Doppler-Interferometer (1) mit einer Scanneinrichtung (2), einer Auswerteeinheit (4) zur Darstellung der Messergebnisse, einem optischen Reflektor (5) und einem Signalgeber (6) dadurch ge kennzeichnet, dass der Reflektor (5) unbeweglich ausgeführt ist und die Scanneinrichtung (2) den aus dem Laser-Doppler- Interferometer (1) austretenden Laserstrahl zeitlich nacheinander an unterschiedlichen, flächenhaft ver teilten Abtastpunkten durch die im durchsichtigen strömenden Medium befindlichen Druckschwankungen oder Wirbel (3) lenkt und dieser Laserstrahl am Reflektor (5), der aus der Sicht des Laser-Doppler- Interferometers (1) hinter den im strömenden Medium befindlichen Druckschwankungen oder Wirbeln (3) angeordnet ist, reflektiert wird und der reflektierte Strahl mit einem Referenzstrahl zur Interferenz gebracht wird und die daraus, an den einzelnen Abtastpunkten resultierenden Frequenzhübe, für alle oder für ausgewählte Abtastpunkte nach einem bekannten Verfahren von einer Auswerteeinheit (4) ausgewer tet werden, wobei von einem Signalgeber (6) ein, aus den periodisch oder wiederholt auftretenden Druck schwankungen oder Wirbeln abgeleitetes, oder zu diesen in funktionalem Zusammenhang oder in Korre lation stehendes Signal zur Synchronisation der, in den einzelnen Abtastpunkten ermittelten Frequenzhü be geliefert wird und das dazu genutzt wird, die Ergebnisse der Auswertung zur visuellen Darstellung zu bringen.

2. Anordnung zur Messung und Darstellung von Wirbeln und Druckschwankungen in strömenden Me dien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der unbewegliche Reflektor (5) eine starre Wand ist.

3. Anordnung zur Messung und Darstellung von Wirbeln und Druckschwankungen in strömenden Me dien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (5) aus der Sicht des Laser-Doppler- Interferometers so weit hinter dem strömenden Medium mit den Druckschwankungen oder Wirbeln (3) angeordnet ist, dass der Reflektor (5) die Druckschwankungen oder Wirbel (3) nicht beeinflusst.

4. Anordnung zur Messung und Darstellung von Wirbeln und Druckschwankungen in strömenden Me dien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen oder Wirbel (3) durch mindestens eine durchsichtige Wand vom Reflektor (5) und/oder vom Laser-Doppler-Interferometer (1) mit Scanneinrichtung (2) getrennt ist.

5. Anordnung zur Messung und Darstellung von Wirbeln und Druckschwankungen in strömenden Medien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Reflektor (5) ein diffus oder retrospektiv reflektierender Reflektor ist.

6. Anordnung zur Messung und Darstellung von Wirbeln und Druckschwankungen in strömenden Me dien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erzeuger der Druckschwankungen oder der Wirbel (3) gleichzeitig der Signalgeber (6) ist.

7. Anordnung zur Messung und Darstellung von Wirbeln und Druckschwankungen in strömenden Me dien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber (6) ein Mikrofon oder ein Druck aufnehmer oder ein Temperaturaufnehmer oder ein Interferometer ist.