DE102007054933A1

DE102007054933A1 - Verfahren zur Messung einer Wandschubspannung

Info

Publication number: DE102007054933A1
Application number: DE200710054933
Authority: DE
Inventors: Gero Dr.-Ing. Günther
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-11-17
Filing date: 2007-11-17
Publication date: 2009-05-28

Abstract

rgesehen, welche durch einen Farbstoff oder Partikel (28) hinsichtlich ihres reflektierenden Verhaltens derart beeinflusst wird, dass durch die von einem Bilderfassungsorgan (14) erfasste Intensität des reflektierten Lichts auf eine Schichtdicke (25) geschlossen werden kann. Weiterhin wird die Außenfläche (3) der Schicht (6) mit Partikeln (7) versehen. Infolge der Strömung (2) kommt es zu elastischen Verformungen der Schicht (6), woraus Verschiebungen der Partikel (7) resultieren. Aus der gemessenen Schichtdicke (25) und der gemessenen Verschiebung kann dann eine Wandschubspannung ermittelt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Wandschubspannung eines mit einer Strömung eines Fluides beaufschlagten Prüflings.
STAND DER TECHNIK
Die Ermittlung einer Wandschubspannung eines von einer Strömung eines Fluids umströmten Körpers kann zu unterschiedlichen Zwecken erfolgen:

– Die Wandschubspannung gibt Aufschluss über den Strömungszustand des Fluids und/oder Eigenschaften des den Körper umströmenden Fluids. Beispielsweise bedeutet – vereinfacht gesagt – eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids eine Erhöhung der Wandschubspannung. Ebenfalls möglich ist, dass über abrupte Änderungen der Wandschubspannung ein Umschlagen einer laminaren Strömung zu einer turbulenten Strömung erkannt werden kann. Zusammengefasst kann somit über eine Wandschubspannung ein Rückschluss auf eine Strömung und/oder das Fluid ermöglicht werden, ohne dass ein Sensor die Strömung des Fluids selbst beeinflusst oder verfälscht. Hierbei kann die Wandschubspannung als integraler Wert für eine Fläche ermittelt werden, so dass eine integrale Beurteilung des Strömungszustandes in der Fläche ermöglicht ist, oder die Wandschubspannung wird an mehreren Punkten in einer Fläche ermittelt, so dass auch Veränderungen der Strömungsverhältnisse im Bereich der Fläche erfasst werden können.
– Alternativ oder kumulativ kann über die Wandschubspannung der Einfluss der Strömung des Fluids auf den von dem Fluid umströmten Körper erfasst werden. Beispielsweise kann dieses anhand der Biomedizin erläutert werden, wo die Wandschubspannung Aufschluss über die Beanspruchung der Venen und Arterien bei deren Durchfluss mit Blut gibt, weshalb die Wandschubspannung in diesem Bereich Gegenstand intensiver Forschungen ist. Entsprechend kann auch bei anderweitigen durch- oder umströmten Körpern, beispielsweise Fahrzeugen, Rohrleitungssystemen u. ä., über eine Erfassung von Wandschubspannungen ein Rückschluss über die Beanspruchungen von Strömungsleitflächen und ggf. deren Verschleiß gewonnen werden.
– Schließlich ist es ebenfalls möglich, über eine Erfassung von Wandschubspannungen Erkenntnisse über Energieverluste, beispielsweise in einem Rohrleitungssystem für ein Fluid, zu gewinnen.

Üblicherweise werden für eine Messung von Wandschubspannungen thermoresistive Oberflächensensoren und Sensorarrays, die eine stationäre oder instationäre Erfassung von Wandschubspannungen ermöglichen, eingesetzt. Weiterhin werden neben konventionellen Oberflächenheißfilmen auch mikrotechnisch gefertigte Heißfilme (so genannte mikro-elektro-mechanische Systeme oder "MEMS") sowie Oberflächenhitzdrähte eingesetzt. Die wandbündig anzuordnenden Hitzdrähte zeichnen sich durch eine besonders günstige thermodynamische Anordnung des Sensorelements aus und erlauben daher eine gegenüber klassischen Heißfilmen verbesserte dynamische Signalauflösung. Weiterhin lassen sich mit einer dünnen Polyimide-Folie (KAPTON-Folie) als Substrat flexible Sensorarrays herstellen, mit denen auch dreidimensional gekrümmte Konturen instrumentiert werden können. Ebenfalls möglich ist, dass eine Ermittlung einer Wandschubspannung mit Hilfe von Drucksonden erfolgt, insbesondere mit so genannten Preston-Rohren. Weiterhin ist es bekannt, eine Wandschubspannung dadurch zu visualisieren, dass eine von der Strömung eines Fluids beaufschlagte Strömungsleitfläche mit einer Gelschicht versehen wird, die infolge der Strömung und in Abhängigkeit von der Wandschubspannung deformiert wird. Für bekannte Eigenschaften des in der Gelschicht eingesetzten Gels kann aus einer gemessenen Deformation die Wandschubspannung ermittelt werden. Hierzu kann eine Speckle-Muster-Interferometrie zum Einsatz kommen.
Für industrielle Anwendungen, beispielsweise bei Flugzeugen, ist neben den statischen und dynamischen Eigenschaften von Oberflächensensoren auch eine mechanische Robustheit des eingesetzten Sensors von großem Interesse. Andere Beurteilungskriterien für Sensoren, die zur Erfassung einer Wandschubspannung eingesetzt werden, sind die Dimensionen eines Sensors oder Sensorelements, welche die räumliche Auflösung der Wandschubspannung beeinflussen, das Handling des Sensors, das dynamische Verhalten, die Größe der Wechselwirkung mit der Strömung, die einen Rauschanteil und etwaige erforderliche Verstärkungsmaßnahmen beeinflusst, die Herstellung sowie eine Temperaturabhängigkeit. Problematisch bei dem Einsatz von MEMS ist, dass diese in der Regel nicht in der Lage sind, neben der Größe der Wandschubspannung auch deren Richtung zu erkennen.
Grundsätzliche Ausführungen zur Messung von Wandschubspannungen sind folgenden Literaturstellen zu entnehmen:

Nitsche, W., Brunn, A., Strömungsmesstechnik, Springer, Berlin, 2006
Bose, S., Vergleichende Wandschubspannungsuntersuchungen in transsonischen Strömungen, Dissertation TU Berlin, Berlin, 2002
M. Raffel, C. E. Willert: Particle image velocimetry – a practical guide. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1. Auflage, 1997

Die nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2007 027 773.5-52 der Anmelderin offenbart ein Verfahren zur Ermittlung von Wandschubspannungen oder eines Wandschubspannungsfeldes, bei welchem eine Strömungsleitfläche eines Prüflings mit einer elastischen Verformungsschicht beschichtet ist. Auf der der Strömung ausgesetzten Außenschicht der Verformungsschicht sind Markierungselemente vorgesehen. Die Steifigkeit der Verformungsschicht ist derart gewählt, dass diese bei Beaufschlagung mit einer Strömung und hieraus resultierender Wandschubspannung eine elastische Auslenkung erfährt, welche mit einer Verschiebung der Markierungselemente einhergeht. Über ein Bilderfassungsorgan wird ein Bild der Markierungselemente sowohl vor dem Einwirken der Strömung auf die Verformungsschicht aufgenommen als auch bei Einwirken der Strömung auf die Verformungsschicht. Derart gewonnene Bilddaten werden einer Bilderkennungseinrichtung und Verformungserkennungseinrichtung zugeführt, in der Relativverschiebungen der Positionen der Markierungselemente infolge der Strömungsbeaufschlagung ermittelt werden. Aus den genannten Relativverschiebungen kann dann bei Kenntnis der elastischen Eigenschaften der Verformungsschicht eine Wand schubspannung im Bereich eines Markierungselementes oder in Form eines Feldes für mehrere Markierungselemente ermittelt werden. Hinsichtlich weiterer Details wird auf die Patentanmeldung DE 10 2007 027 773.5-52 verwiesen, welche zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Die vorliegende Erfindung stellt eine Weiterentwicklung dieser Erfindung dar.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das zuvor erläuterte Verfahren zur Ermittlung von Wandschubspannungen gemäß DE 10 2007 027 773.5-52 weiterzuentwickeln oder anzupassen auf die Ermittlung von Wandschubspannungen auch für Prüflinge mit komplexer Außengeometrie und/oder für Prüflinge mit einer (Verformungs-)Schicht unbekannter oder variierender, a priori nicht bekannter Schichtdicke.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich entsprechend den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 10.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für das aus DE 10 2007 027 773.5-52 bekannte Verfahren zur Ermittlung von Wandschubspannungen die Schichtdicke einer (Verformungs-)Schicht oder die Abhängigkeit der Wandschubspannung von einer erfassten Relativverschiebung bekannt sein muss. Beispielsweise kann hierzu gemäß dem genannten Stand der Technik eine separate Erfassung der Schichtdicke erfolgen oder die Schicht als Film konstanter Dicke oder als Folie auf einen Prüfling oder eine Strömungsleitfläche aufgebracht werden. Hier schlägt die Erfindung erstmals ein einfaches Verfahren vor, mittels welchem einerseits während des Verfahrens selbst eine unter Umständen variierende Schichtdicke erfasst werden kann und dann auf Grundlage der variierenden Schichtdicke eine Ermittlung der Wandschubspannung, u. U. mit vergrößerter Genauigkeit infolge der Erfassung der tatsächlichen Schichtdicke, erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für eine beliebige Außengeometrie des Prüflings, so dass auch eine Erfassung der Wandschubspannungen für gekrümmte und verwinkelte Außenflächen des Prüflings ermöglicht ist.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Prüfling um einen beliebigen Festkörper, im Bereich dessen Außenfläche eine Wandschubspannung von Interesse ist. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen Gegenstand, der gegenüber einem Fluid mit einer Geschwindigkeit bewegt wird, insbesondere ein Boden-, Luft- oder Raumfahrzeug, oder einen von einer bewegten Strömung beaufschlagten ruhenden Körper, insbesondere strömungsbeaufschlagte Bauwerke. Weiterhin kann unter dem Prüfling auch eine einer Strömung ausgesetzte Fläche, beispielsweise in einem Strömungskanal, verstanden werden, an welcher charakteristische Strömungsbedingungen erfasst werden sollen.
In einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird eine Schicht eines Materials auf einen Grundkörper des Prüflings aufgebracht, womit auch umfasst sein soll, dass die genannte Schicht aus mehreren Teilschichten besteht. Das Material ist für Licht mindestens einer beliebigen eingesetzten Wellenlänge teilweise durchlässig oder reflektiert dieses teilweise. Die Schicht hat zur Folge, dass bei Beaufschlagung des mit der Schicht gebildeten Prüflings mit Licht das Ausmaß der Reflektion oder des zu der Mantelfläche des Grundkörpers durchgelassenen und hier reflektierten Lichts von der Dicke der Schicht abhängig ist.
Aufbauend hierauf erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt eine Ermittlung einer Schichtdicke der Schicht unter Berücksichtigung des von dem Prüfling mit der Schicht reflektierten Lichts. Dieses kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Vergleich des von dem Prüfling mit der Schicht reflektierten Lichts und des von dem Prüfling ohne die Schicht reflektierten Lichts erfolgt, woraus unmittelbar und absolut ein Wert über das von dem Material der Schicht durchgelassenen oder reflektierten Lichts gewonnen werden kann und auf die Schichtdicke geschlossen werden kann. Andererseits ist es auch möglich, auch ohne Erfassung des von dem Prüfling ohne die Schicht reflektierten Lichts Rückschlüsse über einen Schichtdickenverlauf zu erhalten, da Veränderungen des von dem Prüfling mit der Schicht reflektierten Lichts Aufschluss geben über eine Veränderung der Schichtdicke.
Erfindungsgemäß kann eine Auswertung lediglich an einem repräsentativen Messort des Prüflings erfolgen. Ebenfalls von der Erfindung umfasst ist die Erfassung an mehreren Messorten, beispielsweise entlang eines Kurvenverlaufes auf der Außenfläche des Prüflings, insbesondere in Strömungsrichtung, oder die Erfassung an gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilten Messorten in einer Fläche, bspw. in der Art eines Messfeldes.
In einem dritten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt erfolgt eine Bereitstellung mindestens eines Referenzpunktes im Bereich des mindestens einen Messortes für die Schichtdicke. Hierbei kann die Position des Messortes für die Schichtdicke mit der Position des Referenzpunktes übereinstimmen oder geringfügig hiervon abweichen. Entscheidend ist allerdings, dass Messort für die Schichtdicke und Position des Referenzpunktes derart miteinander korrelieren, dass mit hinreichender Genauigkeit eine Schichtdicke im Bereich der Position des Referenzpunktes bekannt ist. Im Rahmen der Erfindung können auch mehrere Referenzpunkte vorgesehen werden, gleichförmig verteilt werden oder stochastisch angeordnet werden, wobei die Referenzpunkte auch durch Markierungselemente gemäß DE 10 2007 027 773.5-52 gebildet sein können.
In einem vierten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird dann die Verschiebung des mindestens einen Referenzpunktes infolge der Beaufschlagung mit der Strömung des Fluides ermittelt. Dieses kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zunächst eine Referenzlage des Referenzpunktes erfasst wird, wenn der Prüfling mit der Schicht nicht mit der Strömung des Fluides beaufschlagt ist. Weiterhin erfolgt eine Erfassung der ausgelenkten Lage des Referenzpunktes für eine Beaufschlagung des Fluides mit Schicht mit der Strömung des Fluides. Die Verschiebung des Referenzpunktes ergibt sich in diesem Fall aus der Differenz der ausgelenkten Lage und der Referenzlage.
Schließlich wird in einem fünften Verfahrensschritt mindestens eine Wandschubspannung ermittelt. Hierzu wird einerseits die mindestens eine ermittelte Schichtdicke im Bereich eines Messortes und andererseits die ermittelte mindestens eine Verschiebung eines Referenzpunktes berücksichtigt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die obige Auflistung der Verfahrensschritte keinerlei Einschränkung hinsichtlich der beliebigen zeitlichen Abfolge der genannten Verfahrensschritte darstellen soll. Beispielsweise können durchaus die Verfahrensschritte zeitlich voneinander getrennt in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, während auch möglich ist, dass der erste und dritte Verfahrensschritt des Aufbringens der Schicht sowie der Bereitstellung des mindestens einen Referenzpunktes erfolgt, bevor in einem gemeinsamen oder zwei separaten Schritten die Schichtdicke und die Verschiebung des mindestens einen Referenzpunktes ermittelt wird.
Für den Fall, dass das Reflektions- und Absorptionsverhalten der Mantelfläche des Grundkörpers des Prüflings im Bereich mehrerer Messorte variieren kann, kann zusätzlich eine Erfassung des Reflektionsverhaltens des Grundkörpers vor dem Aufbringen der Schicht erforderlich sein.
Für eine Erzeugung und Aufbringung der Schicht gibt es vielfältige Möglichkeiten. Während das die Schicht bildende Material in beliebigem Zustand vorliegen kann, beispielsweise als dünn- oder dickflüssige Flüssigkeit, Dampf oder Folie, findet gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung als Rohmaterial für die Schicht ein Gel Einsatz, welches beispielsweise mit einem Lösungsmittel, einem Emulgator und Wasser gebildet sein kann. Bei einem Trocknungsvorgang kann dann das Lösungsmittel verdunsten, während ein Flüssigkeitsanteil des Gels erhalten bleibt. Bei dem Lösungsmittel kann es sich beispielsweise um Alkohol handeln. Die Wahl des Emulgators, Flüssigkeitsanteiles und die Menge des für die Schicht eingesetzten Gels und die hieraus resultierende Schichtdicke kann einer zu erwartenden Wandschubspannung angepasst werden, so dass sich einerseits möglichst gut sichtbare Verschiebungen der Außenfläche der Schicht und andererseits gut auswertbare Veränderungen der Helligkeit des reflektierten Lichts im Bereich der Messorte ergeben.
Für eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schicht dadurch erzeugt, dass ein Aufspritzen, Bestreichen oder Aufsprühen des die Schicht bildenden Materiales auf den Grundkörper erfolgt. Ebenfalls möglich ist, dass der Grundkörper mehrfach in das die Schicht bildende Material "eingetaucht" wird, so dass sich – ähnlich dem Ziehen von Wachskerzen bzw. dem Tauchlackieren – mehrere Teilschichten bilden. Das Aufbringen des Materiales mit einem Eintauchen, Aufspritzen, Bestreichen und Aufsprühen hat insbesondere den Vorteil, dass ein Erzeugen einer Schicht auch für komplexe Gestaltungen der Außenfläche des Grundkörpers möglich ist, was bspw. im Fall eines Einsatzes einer Folie zur Bildung der Schicht nicht möglich wäre.
Für einen weiteren Vorschlag der Erfindung beinhaltet das die Schicht bildende Material oder das Gel einen Zusatzstoff, welcher die Reflektion des Lichts bzw. die Absorption des Lichts beeinflusst. Durch Vorgabe des Mengenverhältnisses des Zusatzstoffes in dem die Schicht bildenden Material kann gezielt das Absorptions- und Reflektionsverhalten der Schicht beeinflusst werden, wodurch letztendlich die Messempfindlichkeit zur Ermittlung der Schichtdicke beeinflusst werden kann. Hierbei kann die Menge und Zusammensetzung des die Schicht bildenden Materiales mit der Bemessung der Menge des Zusatzstoffes von mehreren Größen abhängig sein, insbesondere

– der zu erwartenden Wandschubspannung, die die gewünschte (mittlere) Schichtdicke beeinflusst,
– der erzielten elastischen und plastischen Eigenschaften der Schicht, die ebenfalls Einfluss auf die erforderliche Schichtdicke und die mit der Strömung erzielten Verformungen hat,
– der erforderlichen Messgenauigkeit der eingesetzten Messeinrichtungen,
– dem Reflektions- und Absorptionsverhalten der Mantelfläche des Grundkörpers.

Für eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Referenzpunkte dadurch erzeugt, dass auf die Schicht Partikel aufgebracht werden, die Licht absorbieren oder reflektieren, so dass anhand des Reflektionsverhaltens des mit Licht beaufschlagten Prüflings die Lage der Referenzpunkte detektiert werden kann. Beispielsweise handelt es sich bei den genannten Partikeln um kleine Glaskugeln, fluoreszierende Kugeln oder Partikel aus einem Metallpulver.
Je nach Helligkeit der Mantelfläche des Grundkörpers kann ein lichtschwächender oder ein fluoreszierender Farbstoff in der Schicht eingesetzt werden. Die Wahl der Konzentration des Farbstoffes kann von der (mittleren) Schichtdicke und der Empfindlichkeit der eingesetzten Messgeräte abhängen. Für die die Referenzpunkte bildenden Partikel können sämtliche dem Fachmann als Particle-Image-Velocimetry-Tracerpartikel (PIV) bekannte Partikel eingesetzt werden.
Insbesondere für den Fall, dass die Referenzpunkte entlang einer Geraden oder Kurven oder einer Fläche angeordnet sind und eine Auswertung der Wandschubspannungen entlang der Geraden, Kurven oder Fläche erfolgen soll, kann eine Auswertung unter Einsatz einer Kreuzkorrelationsfunktion erfolgen, wobei dies auch eine Auswertung bei stochastisch verteilten Referenzpunkten oder Partikeln ermöglicht. Weiterhin kann unter Einsatz einer Kreuzkorrelationsfunktion auch eine Erfassung der Wandschubspannungen für komplexe, dreidimensionale Prüflinge erfolgen.
Für den Fall, dass es infolge einer Krümmung der Mantelfläche des Prüflinges zu Verzerrungen kommt, die darauf beruhen können, dass ein Messorgan tatsächlich auftretende Relativverschiebungen infolge der Krümmung der Oberfläche fehlerbehaftet unter einem Winkel erfasst, schlägt die Erfindung vor, dass der Prüfling, insbesondere die Schicht oder die Mantelfläche des Grundkörpers mit einem Referenzgitter versehen ist. Auf Grundlage der durch das Referenzgitter vorgegebenen bekannten Positionen kann eine Korrektur etwaiger Messergebnisse erfolgen. Somit findet für diese erfindungsgemäße Ausgestaltung bei einer Ermittlung einer Schichtdicke und/oder für eine Ermittlung einer relativen Verschiebung eine Berücksichtigung einer perspektivischen Verzerrung statt, die auf Grundlage des Referenzgitters ermittelt werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen Messaufbau mit einem mit einer Strömung beaufschlagten Prüfling und einer Mess- und Auswerteeinrichtung in schematischer Darstellung;
2 zeigt einen Messaufbau in schematischer Darstellung in Seitenansicht;
3 zeigt den Messaufbau gemäß 2 in einer Vorderansicht;
4 zeigt einen Prüfling mit einem Referenzgitter in einer Seitenansicht;
5 zeigt einen Prüfling mit stochastisch verteilten Partikeln zur Bildung von Referenzpunkten vor Beaufschlagung des Prüflings mit einer Strömung in einer Seitenansicht;
6 zeigt einen Prüfling mit stochastisch verteilten Partikeln zur Bildung von Referenzpunkten bei Beaufschlagung des Prüflings mit einer Strömung in einer Seitenansicht; und
7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Strömung 2 eines Fluides bewegt sich zumindest mit einer Strömungskomponente und/oder partiell parallel zu einer Außenfläche 3 eines Prüflings 4. Der Prüfling 4 ist mit einem Grundkörper 5 gebildet, auf den auf der der Strömung 2 zugewandten Seite eine (Verformungs-)Schicht 6 aufgebracht ist. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 5 zwecks Vereinfachung der Darstellung eben ausgebildet und die Schicht 6 mit konstanter Wandstärke, wobei beliebige andere Geometrien und Konturen der Außenfläche des Grundkörpers 5 sowie beliebig variierende Schichtdicken 25 der Schicht 6 möglich sind. Die Schicht 6 besitzt auf der der Strömung 2 zugewandten Außenfläche 3 oder in dieser Markierungselemente in Form von Partikeln 7, die eine erste Gruppe 8 bilden, während auf oder in einer Innenfläche 9 der Schicht 6 im Übergangsbereich zu dem Grundkörper 5 Markierungselemente oder Partikel 10 vorgesehen sein können, die einer zweiten Gruppe 11 zugeordnet sind. Unter Annahme eines idealsteifen Grundkörpers 5 kommt es infolge einer elastischen (oder plastischen) Ausbildung der Schicht 6 und der im Bereich der Außenfläche 3 mit der Schicht 6 in Wechselwirkung tretenden Strömung 2 zu einer Verformung der Schicht 6 in in 1 horizontaler Richtung. Hierbei nimmt die Verformung entsprechend dem Verlauf 12 von 0 im Bereich der Innenfläche 9 in Richtung der Außenfläche 3, beispielsweise wie dargestellt linear, zu. Dies hat zur Folge, dass sich eine Referenzposition x_REF eines Partikels 13 im Bereich der Außenfläche 3 verändert zu einer Position x. Zur Verdeutlichung ist das Partikel 13 in verformter Position mit dem Bezugszeichen 13' gekennzeichnet. Auch für die weiteren Partikel 7 im Bereich der Außenfläche 3 erfolgt eine Verformung entsprechend der im Bereich der Partikel 7 wirkenden Wandschubspannung. Hingegen verändern die Partikel 10 im Bereich der Innenfläche 9 ihre Position nicht nach Maßgabe der Strömung 2. Allerdings erfolgt eine Veränderung dieser Positionen x_V dann, wenn sich der Prüfling 4 gegenüber dem Messaufbau bewegt. Über ein Bilderfassungsorgan 14 wird ein Bild von den Partikeln 7, 10, 13 vor Einwirken der Strömung 2 auf die Schicht 6 aufgenommen sowie ein weiteres Bild bei Einwirken der Strömung 2 auf die Partikel 7, 10, 13. So von dem Bilderfassungsorgan 14 gewonnene Bilddaten 15 werden an eine Bilderkennungseinrichtung 16 übermittelt. In der Bilderkennungseinrichtung 16 erfolgt eine Identifikation der Positionen x, x_REF der Partikel 7, 13 vor und während des Einwirkens der Strömung 2. Beispielsweise kann für die mit dem Bildererfassungsorgan 14 ermittelten Bilder das Überschreiten eines Schwellwertes einer Graustufe oder eines Farbwertes eines einzelnen Pixels überprüft werden, wobei ein Überschreiten des genannten Schwellwertes eine Position eines Partikels indizieren kann. Die Referenzpositionen x_REF,1; x_REF,2; ... x_REF,N sowie die Positionen x₁, x₂, ... x_N werden als Daten 17 an eine Verformungserkennungseinrichtung 18 übermittelt, die die Verformungen Δx aus der Differenz von x und x_REF ermittelt (Δx = x₁ – x_REF,1; Δx₂ = x₂ – x_REF,1; ... Δx_N = x_N – x_REF,N). Die derart ermittelten Verformungen Δx werden als Daten 19 an eine Wandschubspannungsermittlungseinrichtung 20 übermittelt, in der an den Orten der Partikel 7, 13 jeweils eine Wandschubspannung τ ermittelt wird. Diese Wandschubspannungen τ werden dann als Daten 21 an eine Ausgabeeinrichtung 22 übergeben. Bei einer derartigen Ausgabeeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Drucker, einen Bildschirm o. ä. handeln, wo die ermittelten Wandschubspannungen in geeigneter Form für einen Benutzer ausgegeben werden können. Dies kann beispielsweise in Form maximal ermittelter Wandschubspannungen, gemittelter Wandschubspannungen, Wandschubspannungsverteilungen, Wandschubspannungsverläufen, Feldern von Wandschubspannungen, dreidimensionalen Darstellungen erfolgen, wobei die Ausgabe auch in Form von Vektorfeldern erfolgen kann, bei denen für jeden Messpunkt die Richtung der ermittelten Wandschubspannung durch eine Pfeilrichtung angedeutet ist und der Betrag der ermittelten Wandschubspannung durch die Länge des Pfeils dargestellt ist. Ebenfalls möglich ist die matrixartige Darstellung des Betrags der ermittelten Wandschubspannung über eine Farbkodierung. Die Einrichtungen 16, 18, 20, 22 können vollständig oder teilweise in eine CPU 23 integriert sein oder Teil eines Netzwerks sein. Die Bilderkennungseinrichtung 16 und die Verformungserkennungseinrichtung 18 bilden gemeinsam eine Verarbeitungseinheit 24, über die aus mindestens einem Bild des Bilderfassungsorgans 14 Positionen der Markierungselemente 7, 13 und Veränderungen der Positionen der Markierungselemente 7, 13 ermittelt werden können. Für eine Erfassung der Verformung findet einerseits eine Lichtquelle beliebiger Wellenlänge (n) Einsatz, beispielsweise ein durch eine sphärische Linse aufgeweiteter Laserstrahl. Das Bilderfassungsorgan kann beispielsweise als CCD-Kamera, als C-MOS-Kamera oder Digitalkamera ausgebildet sein. Derartige Kameras stellen bei verhältnismäßig geringen Kosten eine große und hinreichende Auflösung bereit und ermöglichen eine einfache anschließende Bildbearbeitung und Auswertung über eine Computer-basierte Verarbeitungseinheit.
Hinsichtlich weiterer Details zu dem grundsätzlichen Aufbau einer Messeinrichtung und Verfahren, auf die die vorliegende Erfindung aufbaut, wird auf DE 10 2007 027 773.5-52 verwiesen, wobei dieser Druckschrift auch eine Ermittlung von Wandschubspannungen für den Fall zu entnehmen ist, dass sich der Prüfling relativ zu dem Bilderfassungsorgan 14 bewegt, wozu die zusätzlichen Partikel 10 Auswertung finden können.
Während in 1 zur Vereinfachung eine Schicht 6 konstanter Dicke dargestellt ist und der Grundkörper 5 eine ebene Innenfläche 9 besitzt, kann das erfindungsgemäße Verfahren Einsatz finden für beliebig gekrümmte Innenflächen und/oder beliebige Schichtdickenverläufe.
Erfindungsgemäß ist die Schicht 6 mit einem Material gebildet, welches dazu führt, dass Licht 26 von dem Prüfling 4 mit einer Intensität reflektiert wird, die abhängig ist von der Schichtdicke 25, so dass bei dem Bilderfassungsorgan 14 für einzelne Messorte 27 je nach den den Messorten 27 zugeordneten Schichtdicken 25 unterschiedliche Intensitäten erfasst werden. Zu diesem Zweck kann die Schicht 6 eingetrübt sein, mit lichtabsorbierendem Material und/oder lichtreflektierendem Material gebildet sein, wobei alternativ oder zusätzlich zu einer Reflektion des Lichts in der Schicht 6 Licht an der Innenfläche 9, also der äußeren Mantelfläche des Grundkörpers 5 des Prüflings 4 reflektiert werden kann. Für das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel sind in der Schicht 4 Partikel 28 verteilt, über welche gezielt das reflektierende und/oder absorbierende Verhalten beeinflusst werden kann.
2 zeigt eine Messeinrichtung 1 mit einem Prüfling 4, welcher im vorliegenden Fall als Modell einer Eisenbahn ausgebildet ist. In der Längsebene des Prüflings 4 sind als Bilderfassungsorgan 14 mehrere Kameras 29 verteilt, wobei die Kameras vorzugsweise mit ihrer Aufnahmerichtung senkrecht zu der Außenkontur bzw. Außenfläche des Prüflings 4 orientiert sind.
Wie 3 zu entnehmen ist, sind entsprechend Kameras 29 auch in einer Querebene des Prüflings 4 mit Erfassungsrichtung senkrecht zur Mantelfläche des Prüflings 4 verteilt.
Gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Prüfling 4 mit einem beispielsweise in oder an der Schicht 6 oder in oder an dem Grundkörper 5 fest vorgesehenen Referenzgitter 30 versehen, wobei das Referenzgitter 30 auch auf den Prüfling 4 projiziert werden kann. Über eine Auswertung des von dem Bilderfassungsorgan 14 erfassten Bildes des Referenzgitters 30 kann eine Erfassung von Verzerrungen des Bilderfassungsorgans 14, beispielsweise infolge einer unzureichenden Ausrichtung des Bilderfassungsorgans 14 zu der Oberfläche des Prüflings 4, erfasst werden, wodurch eine Korrektur ermöglicht ist.
5 zeigt den Prüfling 4, welcher mit den Partikeln 7 sowie den Partikeln 28 versehen ist. Während die Position der Partikel 7 gemäß 5 durch das Bilderfassungsorgan 14 in Form der hellen Punkte erfasst wird für den nicht mit der Strömung 2 beaufschlagten Prüfling 4, sind in 6 die Partikel 7' in ihrer ausgelenkten Position infolge der Elastizität und/oder plastischen Verformung der Schicht 6 infolge der auf den Prüfling 4 einwirkenden Strömung 2 dargestellt.
7 zeigt beispielhaft einen schematischen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf:

– In einem Verfahrensschritt 31 erfolgt eine Erfassung des Prüflings in einem Urzustand, in dem der Grundkörper 5 keine Schicht 6 besitzt. In diesem Verfahrensschritt kann beispielsweise das Absorptions- und Reflektionsverhalten der Mantelfläche des Grundkörpers 5 positionsabhängig erfasst werden. Ebenfalls möglich ist, dass eine Kalibrierung des Bilderfassungsorgans erfolgt, beispielsweise unter Einsatz eines Referenzgitters 30, welches auf der Mantelfläche des Grundkörpers 5 vorgesehen ist oder auf diese projiziert wird.
– In einem Verfahrensschritt 32 wird die Schicht 6 auf den Grundkörper 5 aufgebracht. Hierbei sind folgende Verfahrensparameter an den Einzelfall anzupassen oder zu berücksichtigen:
a) Menge des aufzubringenden Materiales, woraus sich unter Berücksichtigung der Mantelfläche des Grundkörpers 5 auch eine (mittlere) Schichtdicke ergibt;
b) Vorgabe der Trübung des Materiales der Schicht 6 oder des fluoreszierenden Effektes, der Durchlässigkeit oder des Reflektionsverhaltens des Materiales für die Schicht 6;
c) zu erwartende Wandschubspannung, welche von der Strömung 2 und/oder der Geometrie des Prüflings 4 abhängen kann,
d) Messempfindlichkeit der Messeinrichtung 1,
e) elastisches und/oder plastisches Verhalten des die Schicht 6 bildenden Materials.
– In einem weiteren Verfahrensschritt 33 erfolgt eine Aufbringung von Partikeln 7 an den Orten, an denen eine Wandschubspannung ermittelt werden soll. Hierbei kann eine Aufbringung der Partikel über die gesamte Mantelfläche des Prüflings 4 und der Schicht 6 erfolgen oder lediglich in Teilbereichen, in denen die Wandschubspannung ermittelt werden soll. Ebenfalls möglich ist die Aufbringung der Partikel 7 mit festen, definierten Abständen in der Mantelfläche oder entlang eines Kurvenverlaufes auf der Mantelfläche oder die stochastische Anordnung. Über die "Dichte" der Aufbringung der Partikel 7 kann die räumliche Auflösung für die Ermittlung der Wandschubspannungen vorgegeben werden.
– In einem Verfahrensschritt 34 erfolgt eine Bestimmung der Schichtdicke 25, die vorzugsweise eine Funktion des Messortes 27, also beispielsweise eine Funktion der Koordinaten x, y für eine über die Mantelfläche des Grundkörpers 5 verlaufende Fläche, ist. Für die Auswertung der Schichtdicke 25 in diskreten Teilflächen kann die Wandschubspannung in der Teilfläche als konstant angenommen werden, oder es kann eine Interpolation zwischen einzelnen Messwerten, unter Umständen in unterschiedliche Raumrichtungen, erfolgen.
– In einem Verfahrensschritt 35 wird dann eine Referenzlange x_REF der Partikel 7 durch das Bilderfassungsorgan 14 und nachfolgenden Datenverarbeitung ermittelt.
– In einem Verfahrensschritt 36 wird dann die Strömung 2 aktiviert.
– In einem Verfahrensschritt 37 erfolgt eine Erfassung der ausgelenkten Lagen x_N der Partikel.
– In einem Verfahrensschritt 38 werden dann die Verschiebungen der Partikel 7 Δx = xN – xREF,N ermittelt.
– Schließlich werden in einem Verfahrensschritt 39 Wandschubspannungen im Bereich der Partikel 7 ermittelt, wobei hierzu die jeweils ermittelten Schichtdicken im Bereich der Messorte sowie die ermittelten Verschiebungen der Partikel zu berücksichtigen sind. Beispielsweise kann sich die Wandschubspannung ergeben gemäß τxz = Garcsin(Δx/h) und τyz = Garcsin(Δy/h),wobei G das Schubmodul des für die Schicht 6 verwendeten Material und h die lokale Schichtdicke 25 bezeichnet.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die Verfahrensschritte 31–39 nicht in der dargelegten Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Ebenfalls möglich ist, dass Verfahrensschritte wie der Verfahrensschritt 31 entfallen. Weiterhin denkbar ist die Zusammenfassung von separat dargestellten Verfahrensschritten zu einem einzigen Verfahrensschritt: Beispielsweise kann über das Bilderfassungsorgan gleichzeitig eine Ermittlung der Schichtdicke 25 und der Referenzlage x_REF,N der Partikel 7 oder der ausgelenkten Lage x_N erfolgen.
Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, dass unter Umständen die Partikel 7, welche Referenzpunkte 40 für die Erfassung der Verformung der Schicht 6 bilden, eine Erfassung der Schichtdicke 25 genau an diesem Ort erschweren, da das Reflektionsverhalten und/oder Absorptionsverhalten der Schicht 6 durch diese beeinträchtigt ist. Hier ist es durchaus möglich, dass die Messorte 27 zur Erfassung der Schichtdicke 25 geringfügig zu den Orten der Referenzpunkte verlagert sind, wobei dann eine Interpolation von einem derartigen Messort 27 zu der Lage des Referenzpunktes 40 erfolgen kann.
Die Partikel 7 können vermischt mit einem farblosen Gel auf die Schicht 6 aufgesprüht sein, wobei das farblose Gel die Haftung der Partikel 7 an der Außenfläche 3 der Schicht 6 verbessern kann. Je nach Untergrund- und Gelfarbe können kleine Glaskugeln, fluoreszierende Kugeln oder ein Metallpulver als Zusatz in Frage kommen. Für den Fall, dass es in der Schicht 6 zu einer plastischen Verformung infolge des Einwirkens der Strömung 2 kommt, muss ein anderes Materialgesetz als zuvor eingesetzt werden. Unter Umständen muss in diesem Fall die Schichtdicke mehrfach während der Plastifizierung unter Einfluss der Strömung 2 bestimmt werden.
Möglich ist weiterhin, dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt nach der Auswertung der Verschiebung der Partikel 7 infolge der Einwirkung der Strömung 2 eine weitere Aufnahme des Prüflings ohne Strömung 2 erzeugt wird, aus der der Anteil der plastischen Schicht- oder Geldeformation oder Partikelverschiebung bestimmt werden kann. Werden unterschiedliche Partikel oder Farbstoffe einerseits für die Partikel 28 und andererseits für die Partikel 7 verwendet, können die Schichtdicke 25 und die Partikelverschiebung gleichzeitig gemessen werden. Hierdurch ist eine quantitative Bestimmung der Wandschubspannungen auch bei Plastifizierung einer mit einem Gel gebildeten Schicht 25 unter Wind möglich, falls der instationäre Vorgang zeitlich mit genügend vielen Aufnahmen aufgelöst wird.

1: Messeinrichtung
2: Strömung
3: Außenfläche
4: Prüfling
5: Grundkörper
6: Schicht
7: Partikel
8: Gruppe
9: Innenfläche
10: Partikel
11: Gruppe
12: Verlauf
13: Partikel
14: Bilderfassungsorgan
15: Bilddaten
16: Bilderkennungseinrichtung
17: Daten
18: Verformungserkennungseinrichtung
19: Daten
20: Wandschubspannungs-Ermittlungseinrichtung
21: Daten
22: Ausgabeeinrichtung
23: CPU
24: Verarbeitungseinheit
25: Schichtdicke
26: Licht
27: Messort
28: Partikel
29: Kamera
30: Referenzgitter
31: Verfahrensschritt
32: Verfahrensschritt
33: Verfahrensschritt
34: Verfahrensschritt
35: Verfahrensschritt
36: Verfahrensschritt
37: Verfahrensschritt
38: Verfahrensschritt
39: Verfahrensschritt
40: Referenzpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007027773 [0006, 0006, 0007, 0009, 0014, 0036]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Nitsche, W., Brunn, A., Strömungsmesstechnik, Springer, Berlin, 2006 [0005]
- Bose, S., Vergleichende Wandschubspannungsuntersuchungen in transsonischen Strömungen, Dissertation TU Berlin, Berlin, 2002 [0005]
- M. Raffel, C. E. Willert: Particle image velocimetry – a practical guide. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1. Auflage, 1997 [0005]

Claims

Verfahren zur Messung einer Wandschubspannung eines mit einer Strömung (2) eines Fluides beaufschlagten Prüflings (4) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Aufbringen einer Schicht (6) eines für Licht teilweise durchlässigen oder Licht teilweise reflektierenden Materials auf einen Grundkörper (5) des Prüflings (4), b) Ermittlung einer Schichtdicke (25) der Schicht (6) an mindestens einem Messort (27) durch eine Berücksichtigung des von dem Prüfling (4) mit der Schicht (6) an dem Messort (27) durchgelassenen oder reflektierten Lichts, c) Bereitstellen eines Referenzpunktes (40) im Bereich des Messortes (27), d) Ermittlung der Verschiebung (Δx) des Referenzpunktes (40) infolge der Beaufschlagung mit der Strömung (2) des Fluides und e) Ermittlung einer Wandschubspannung τ unter Berücksichtigung ea) der ermittelten Schichtdicke (25) im Bereich des Messortes (27) sowie eb) der ermittelten Verschiebung Δx des Referenzpunktes (40).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) mit dem Aufbringen eines Gels erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) mit Eintauchen, Aufspritzen, Bestreichen oder Aufsprühen des die Schicht (6) bildenden Materials erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Schicht (6) bildende Material oder das Gel mindestens einen eine Reflektion oder Absorption von Licht beeinflussenden Zusatzstoff, Farbstoff oder Partikel (28) beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gel mit einem Lösungsmittel, einem Emulgator und Wasser gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Referenzpunkten (40) auf die Schicht (6) Licht absorbierende oder reflektierende Partikel (7) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (7, 28) als kleine Glaskugeln, fluoreszierende Kugeln oder Metallpulverpartikel ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung unter Einsatz einer Kreuzkorrelationsfunktion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren Messorten (27) eine Erfassung der Schichtdicke (25) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfling (4) oder die Schicht (6) mit einem Referenzgitter (30) versehen ist und für eine Ermittlung einer Schichtdicke (25) und/oder für eine Ermittlung einer relativen Verschiebung (Δx) eine Berücksichtigung einer perspektivischen Verzerrung erfolgt.