DE102010030143A1

DE102010030143A1 - Method for determining local flow rates of e.g. air, involves spatially and temporarily limiting energy of external fluid in flowing fluid or refractive index of flowing fluid to generate density fluctuation in flowing fluid

Info

Publication number: DE102010030143A1
Application number: DE102010030143A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Raffel Markus; Dr. Schröder Andreas; Dipl.-Ing. Heine Benjamin; Ricardo Hernandez-Rivera
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-12-22

Abstract

The method involves receiving captured images of fluid (3) flowing through a background object (10) i.e. stochastic dot pattern (11), simultaneously from different directions. The captured images are compared to spatial displacement of density fluctuation (8) in the fluid. Energy of external fluid in the flowing fluid or refractive index of the flowing fluid is spatially and temporarily limited for generating the density fluctuation in the flowing fluid, where the energy of the external fluid is time punctually brought into the flowing fluid. An independent claim is also included for a device for determining local flow rates of flowing fluid, comprising a camera.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine dazu geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 17.The invention relates to a method for determining local flow velocities in a flowing fluid having the features of the preamble of the independent patent claim 1 and to a device suitable for this purpose having the features of the preamble of the independent claim 17.

Die interessierenden lokalen Strömungsgeschwindigkeiten können ein Vektorfeld von Strömungsgeschwindigkeiten in einen interessierenden Bereich der Strömung sein. Bei den interessierenden Strömungsgeschwindigkeiten kann es sich aber auch um den Geschwindigkeitsvektor oder auch nur eine bestimmte Komponente dieses Vektors an einem bestimmten Ort der Strömung handeln. Letzteres beispielsweise dann, wenn die Geschwindigkeit eines fliegenden Objekts gegenüber dem es umgebenden Fluid von Interesse ist, wobei sich das Fluid aufgrund der Geschwindigkeit des fliegenden Objekts relativ zu diesem und einer darauf angeordneten Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit bewegt.The local flow velocities of interest may be a vector field of flow velocities in a region of interest of the flow. However, the flow velocities of interest may also be the velocity vector or else only a specific component of this vector at a specific location of the flow. The latter, for example, when the velocity of a flying object with respect to the surrounding fluid is of interest, wherein the fluid moves due to the velocity of the flying object relative thereto and a device for determining the flow velocity arranged thereon.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Ein Verfahren mit dem Merkmal des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 17 sind aus der DE 10 2006 047 286 A1 bekannt. Hier werden zum Bestimmen von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten eines Fluids in einem Fluidvolumen mit mindestens zwei, aus unterschiedlichen Richtungen auf das Fluidvolumen gerichteten Kameras zu mindestens zwei Zeitpunkten Bilder aufgenommen, in denen ein ortsfester Hintergrund durch das Fluidvolumen hindurch abgebildet wird. Aus Deformationen des Hintergrunds in den zu jeweils einem Zeitpunkt aufgenommenen Bildern wird auf die räumliche Lage von Dichteschwankungen des Fluids in dem Fluidvolumen geschlossen. Anhand der zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Bilder werden räumliche Verschiebungen der Dichteschwankungen verfolgt; und aus den Verschiebungen und dem Abstand der Zeitpunkte werden die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids bestimmt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Verlagerungen der Dichteschwankungen zumindest bei Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 0,3 Mach den räumlichen Bewegungen des Fluids selbst entsprechen. Auch hinauf bis zu 0,5 Mach werden Gasströmungen als hinreichend kompressibel bezeichnet, dass aus Lageveränderungen von Dichteschwankungen auf die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten geschlossen werden kann. Erst in einem Bereich deutlich über 0,5 Mach, wobei sich diese Angabe auf die Schallgeschwindigkeit in dem betrachteten Fluid bezieht, soll das bekannte Verfahren mit zunehmenden Ungenauigkeiten verbunden sein, bis es schließlich nahe 1 Mach unanwendbar wird. Als Dichteschwankungen, deren räumliche Verschiebung bei dem bekannten Verfahren verfolgt wird, werden lokale Extrema, d. h. Maxima und/oder Minima der Dichte des Fluids und alternativ lokale Extrema, d. h. wiederum Maxima und/oder Minima eines Gradienten der Dichte des Fluids betrachtet. Auch lokale Extrema einer räumlichen Ableitung eines Gradienten der Dichte des Fluids sollen verwendet werden können. Derartige Dichteschwankungen sollen in Folge von Konzentrationsunterschieden unterschiedlicher Bestandteile des Fluids, Temperaturdifferenzen selbst in Folge unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit und des Fluids in ausreichendem Umfang natürlich auftreten.A method having the feature of the preamble of independent claim 1 and a device having the features of the preamble of independent claim 17 are known from DE 10 2006 047 286 A1 known. Here, to determine local flow velocities of a fluid in a fluid volume having at least two cameras directed from different directions onto the fluid volume, images are taken at least two times in which a stationary background is imaged through the fluid volume. From deformations of the background in the images taken at one point in time, the spatial position of density fluctuations of the fluid in the fluid volume is deduced. Based on the images taken at different times, spatial shifts in the density fluctuations are tracked; and from the displacements and the distance of the times, the local flow velocities of the fluid are determined. It is assumed that the displacements of the density variations at least at flow velocities up to 0.3 Mach correspond to the spatial movements of the fluid itself. Even up to 0.5 Mach gas flows are described as sufficiently compressible that can be concluded from changes in position of density fluctuations on the local flow velocities. Only in a range well above 0.5 Mach, which refers to the speed of sound in the considered fluid, the known method should be associated with increasing inaccuracies until it finally becomes inapplicable near 1 Mach. As density fluctuations whose spatial displacement is tracked in the known method, local extrema, ie maxima and / or minima of the density of the fluid and, alternatively, local extrema, ie again maxima and / or minima of a gradient of the density of the fluid are considered. Also local extremes of a spatial derivative of a gradient of the density of the fluid should be able to be used. Such density fluctuations should occur naturally as a result of differences in concentration of different constituents of the fluid, temperature differences, even as a result of different flow velocity and the fluid to a sufficient extent.

In der Praxis stellt sich jedoch heraus, dass einerseits viele strömende Fluide keine für die Anwendung des bekannten Verfahrens ausreichende Dichteschwankungen aufweisen und andererseits in strömenden Fluiden natürlich auftretende Dichteschwankungen häufig ein eigenes Geschwindigkeitsfeld aufweisen, das mit dem Geschwindigkeitsfeld der Strömung wechselwirkt, so dass aus der räumlichen Verlagerung der Dichteschwankungen keine sinnvollen Rückschlüsse auf die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, in dem diese Dichteschwankungen auftreten, möglich sind. Zudem sollen bei dem bekannten Verfahren die BOS(Background Oriented Schlieren)-Technik zur Erfassung der Dichteschwankungen zur Anwendung kommen, die vergleichsweise komplex ist.In practice, however, it turns out that on the one hand many flowing fluids have no sufficient for the application of the known method density fluctuations and on the other hand in flowing fluids naturally occurring density fluctuations often have their own speed field, which interacts with the velocity field of the flow, so that from the spatial Shifting the density fluctuations no meaningful conclusions on the flow rate of the fluid in which these density variations occur are possible. In addition, in the known method, the BOS (Background Oriented Schlieren) technique for detecting the density variations are used, which is relatively complex.

Vorteilhaft bei dem aus der DE 10 2006 047 286 A1 bekannten Verfahren ist jedoch, dass es grundsätzlich ohne das Beimpfen der Strömung mit lichtstreuenden Partikeln auskommt, wie sie in der PIV (Partikel Image Velocimetry) verwendet werden. Vielfach ist ein derartiges Beimpfen einer Strömung nicht möglich, weil hierdurch beispielsweise ein einem Reaktor zugeführtes Gas verunreinigt würde oder weil der interessierende Bereich einer Strömung für eine Beimpfung nicht zugänglich ist, ohne die Strömung grundsätzlich zu stören, oder weil mit der Beimpfung der Strömung mit jedweden Partikeln unerwünschte abrasive Effekte auf angrenzende Oberflächen verbunden wären.Advantageous in the from DE 10 2006 047 286 A1 However, known methods is that it basically manages without the seeding of the flow with light-scattering particles, as used in the PIV (particle image velocimetry). In many cases, such inoculation of a flow is not possible, because for example, a gas supplied to a reactor would be contaminated or because the region of interest of a flow for a inoculation is not accessible without disturbing the flow in principle, or because with the inoculation of the flow with any Particles undesirable abrasive effects on adjacent surfaces would be connected.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des nebengeordneten Patentanspruchs 18 aufzuzeigen, mit denen lokale Strömungsgeschwindigkeiten in einem strömenden Fluid mit geringem Aufwand genau bestimmbar sind, ohne dass dem Fluid Partikel zugesetzt werden müssen.The invention has for its object to provide a method having the features of the preamble of the independent claim 1 and an apparatus having the features of the preamble of the independent claim 18, with which local flow velocities in one flowing fluid can be accurately determined with little effort, without the fluid particles must be added.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 18 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object of the invention is achieved by a method having the features of independent patent claim 1 and by a device having the features of independent patent claim 18. Preferred embodiments of the new method and apparatus are defined in the dependent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei dem neuen Verfahren werden zwar wie im Stand der Technik zur Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in dem strömenden Fluid durch das Fluid hindurch Bilder eines Hintergrundobjekts aufgenommen und miteinander verglichen, um eine räumliche Verschiebung mindestens einer Dichteschwankung des Fluids mit der Zeit zu erfassen. Diese mindestens eine Dichteschwankung wird aber künstlich in das Fluid eingebracht, in dem räumlich und zeitlich begrenzt Energie oder ein sich im Brechungsindex von dem Fluid unterscheidendes Fremdfluid in das Fluid eingebracht wird. Durch die räumliche und zeitliche Begrenzung des Energieeintrags bzw. der Einbringung des Fremdfluids in das Fluid ist die Dichteschwankung räumlich begrenzt und weist kein eigenes Geschwindigkeitsfeld auf, das mit dem Geschwindigkeitsfeld der umgebenden Strömung wechselwirken könnte. Zwar ist ein gewisses Volumenwachstum einer durch kurzzeitige Einbringung von Energie oder eines Fremdfluids in das Fluid generierten Dichteschwankung nicht zu vermeiden, doch ist es ohne weiteres möglich, die Ausdehnung der Dichteschwankung so klein zu halten, dass sie für relevante Beobachtungszeiträume keine Lageveränderung durch Konvektion erfährt und aufgrund ihrer Ausdehnung auch keine Sekundärströmung in ihrer Umgebung generiert.In the new method, as in the prior art, to determine the local flow velocities in the flowing fluid through the fluid, images of a background object are taken and compared to detect a spatial shift of at least one density variation of the fluid over time. However, this at least one density variation is artificially introduced into the fluid, in which space and time-limited energy or a foreign fluid differing in refractive index from the fluid is introduced into the fluid. Due to the spatial and temporal limitation of the energy input or the introduction of the foreign fluid into the fluid, the density variation is spatially limited and does not have its own speed field, which could interact with the velocity field of the surrounding flow. Although a certain volume growth of a density fluctuation generated by brief introduction of energy or a foreign fluid in the fluid is unavoidable, it is readily possible to keep the expansion of the density fluctuation so small that it undergoes no change in position by convection for relevant observation periods and due to their expansion also no secondary flow generated in their environment.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Energie oder das Fremdfluid bei dem neuen Verfahren räumlich und/oder zeitlich punktuell in das Fluid eingebracht wird, wobei hier mit punktuell quasi-punktförmig gemeint ist, da eine gewisse räumliche und zeitliche Ausdehnung des Bereichs des Energieeintrags bzw. des eingebrachten Fremdfluids grundsätzlich unvermeidbar ist.It is particularly preferred if the energy or the foreign fluid is spatially and / or temporally introduced into the fluid spatially and / or temporally, in which case punctiform means point-like, since a certain spatial and temporal extent of the range of energy input or the introduced foreign fluid is basically unavoidable.

Konkret kann die Energie zur Generierung der Dichteschwankung durch fokussiertes Licht in das Fluid eingebracht werden. Dabei kann die Lichtintensität am Fokus so weit konzentriert werden, dass ein Plasma in dem Fluid gezündet wird. Ein solches Plasma ist Voraussetzung für die Absorption weiteren Lichts in einem räumlich eng begrenzten Bereich, um die gewünschte Dichteschwankung nur durch das Licht hervorzurufen.Specifically, the energy for generating the density fluctuation can be introduced into the fluid by focused light. In this case, the light intensity at the focus can be concentrated so far that a plasma is ignited in the fluid. Such a plasma is a prerequisite for the absorption of further light in a spatially narrow range in order to produce the desired density variation only by the light.

Leichter als durch Absorption von elektromagnetischer Strahlung durch das Fluid selbst kann die Energie durch Aufheizen einer an das Fluid angrenzenden Oberfläche in das Fluid eingebracht werden. Auch dies kann durch fokussiertes Licht geschehen. Alternativ kann die Oberfläche räumlich und zeitlich begrenzt elektrisch aufgeheizt werden. Dabei schließt die zeitliche Begrenzung hier wie in allen anderen Fällen auch eine periodische Variation des Energieeintrags ein, wobei bei jeder Periode eine als solche identifizierbare Dichteschwankung generiert wird.More easily than by absorbing electromagnetic radiation through the fluid itself, the energy can be introduced into the fluid by heating a surface adjacent to the fluid. This too can be done by focused light. Alternatively, the surface can be electrically heated spatially and temporally limited. In this case, as in all other cases, the time limit also includes a periodic variation of the energy input, whereby a density fluctuation that can be identified as such is generated for each period.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das Licht zur direkten Generierung der Dichteschwankung in dem Fluid oder auch zur Generierung der Dichteschwankung durch eine an das Fluid angrenzende örtlich erhitzte Oberfläche Pulse aus Laserlicht aufweist.It is particularly preferred for the light to have pulses of laser light for directly generating the density fluctuation in the fluid or else for generating the density fluctuation by means of a locally heated surface adjoining the fluid.

Die notwendige Energie für die Erzeugung der gewünschten Dichteschwankung kann auch auf direktem Wege elektrisch in das Fluid eingebracht werden, beispielsweise durch einen Hochspannungsdurchschlag längs einer Funkenstrecke zwischen zwei Elektroden.The energy required to produce the desired density variation can also be introduced directly into the fluid in a direct manner, for example by a high-voltage breakdown along a spark gap between two electrodes.

Das Fremdfluid kann zum Beispiel mit einer Injektionskanüle und/oder durch ein Loch in einer an das Fluid angrenzenden Oberfläche in das Fluid eingebracht werden.For example, the foreign fluid may be introduced into the fluid with an injection cannula and / or through a hole in a surface adjacent to the fluid.

Bei dem neuen Verfahren kann ein interessierender Bereich der Strömung mit dem Ort des Einbringens der Energie oder des Fremdfluids abgerastert werden, um den jeweils in dem Ort des Einbringens beginnenden Strömungsvektor zu erfassen.In the new method, a region of interest of the flow may be scanned with the place of introduction of the energy or the foreign fluid to detect the flow vector beginning in the place of introduction.

Die räumliche Ausrichtung dieses Strömungsvektors kann dadurch ermittelt werden, dass die Bilder des Hintergrundobjekts gleichzeitig aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen, d. h. mit einer stereoskopischen Kameraanordnung aufgenommen werden.The spatial orientation of this flow vector may be determined by simultaneously displaying the images of the background object from at least two different directions, i. H. be recorded with a stereoscopic camera arrangement.

Die Auswertung der durch das Fluid aufgenommenen Bilder des Hintergrundobjekts ist bei dem neuen Verfahren extrem einfach, weil durch das Einbringen der Energie bzw. des Fremdfluids in die Strömung jeweils genau eine Dichteschwankung in jedem Bild zu finden ist, und es nur noch darauf ankommt, deren Lage zu bestimmen. Isoliert werden kann das Bild der Dichteschwankung einfach dadurch, dass Differenzbilder jeweils eines Bilds des Hintergrundobjekts mit Dichteschwankung und eines Bilds des Hintergrundobjekts ohne Dichteschwankung generiert werden. Diese Differenzbilder zeigen nur die jeweilige Dichteschwankung, weil sich nur dort, wo sich die jeweilige Dichteschwankung vor dem Hintergrundobjekt befindet, das Abbild des Hintergrundobjekts in den mit Dichteschwankung aufgenommenen Bildern gegenüber dem ohne Dichteschwankung aufgenommenen Referenzbild verändert hat. Als Lage der Dichteschwankung in dem jeweiligen Bild kann sehr einfach der Schwerpunkt des Differenzbilds bestimmt werden, wenn das Differenzbild zuvor binarisiert und in einer Matrix gespeichert wird. Wenn der Spaltenindex der Matrix I und ihr Zahlenindex J ist, gilt für die Zahl der Bildelemente Z = I × J und für die Lage des Schwerpunkts des Differenzbilds

The evaluation of the images taken by the fluid images of the background object is extremely simple in the new method, because by the introduction of energy or the foreign fluid in the flow exactly one density variation is found in each image, and it is only important that their Able to determine. The density variance image can be isolated simply by generating difference images of each image of the background object with density variability and an image of the background object without density variability. These difference pictures show only the respective density variation, because only where the respective density variation is located in front of the background object has the image of the background object in the images recorded with density fluctuation changed compared to the reference image recorded without density fluctuation. As a location of the density fluctuation in the respective image, the center of gravity of the difference image can be determined very simply if the difference image is previously binarized and stored in a matrix. If the column index of the matrix is I and its numerical index is J, the number of pixels Z = I × J and the position of the center of gravity of the difference image

Hier ist x ein ”mal”, die Werte von m(i, j) sind null oder eins und geben den Betrag der mit einem Schwellwert binarisierten Intensität des Differenzbilds wieder. Der Wert der zweiten Komponente j' des Schwerpunkts ergibt sich durch Vertauschen der Indizes. Die entsprechenden Geschwindigkeitskomponenten ergeben sich aus den Differenzen von i' und j' zwischen zwei zeitlich aufeinander folgenden Differenzbildern. Statt aus einem ersten Differenzbilds kann auch aus dem Ort und dem Zeitpunkt des Einbringens der Energie oder des Fremdfluids in das Fluid auf den Ausgangspunkt des jeweiligen Geschwindigkeitsvektors geschlossen werden, wenn diese Daten mit ausreichender Genauigkeit zur Verfügung stehen.Here, x is a "time", the values of m (i, j) are zero or one and represent the amount of the threshold value binarized intensity of the difference image. The value of the second component j 'of the center of gravity is obtained by swapping the indices. The corresponding velocity components result from the differences of i 'and j' between two temporally successive difference images. Instead of a first differential image can also be concluded from the location and time of introduction of the energy or the foreign fluid into the fluid to the starting point of the respective velocity vector, if these data are available with sufficient accuracy.

Neben der Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten, für die im Detail die Abbildungsverhältnisse der eingesetzten Kameras zu berücksichtigen sind, kann mit dem neuen Verfahren auch auf eine lokale Temperaturverteilung des Fluids geschlossen werden, weil die Zunahme einer räumlichen Ausdehnung der Dichteschwankung in zwei zeitich aufeinander folgenden Differenzbildern von der Temperatur des Fluids in der Umgebung der Dichteschwankung abhängig ist.In addition to the determination of the local flow velocities, for which the imaging ratios of the cameras used are to be considered in detail, the new method can also be used to deduce a local temperature distribution of the fluid because the increase in a spatial extent of the density fluctuation in two temporally successive difference images of the temperature of the fluid in the vicinity of the density variation is dependent.

Die neue Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten weist als charakteristischen Bestandteil eine Einbringungsseinrichtung auf, mit der räumlich und zeitlich begrenzt Energie oder ein sich im Brechungsindex von dem Fluid unterscheidendes Fremdfluid in das Fluid einbringbar ist, um die mindestens eine Dichteschwankung in dem Fluid zu generieren. Die Einbringungsseinrichtung kann einen Laser und eine einen Laserstrahl des Lasers fokussierende Optik aufweisen. Die Einbringungsseinrichtung kann alternativ einen Hochspannungsgenerator oder zum Einbringen eines Fremdfluids eine über ein Ventil an einen Speicher für das Fremdfluid angeschlossene Injektionskanüle umfassen.The new device for determining local flow velocities has as its characteristic component an introduction device with which spatially and temporally limited energy or a foreign fluid differing in refractive index from the fluid can be introduced into the fluid in order to generate the at least one density fluctuation in the fluid. The introduction device may comprise a laser and an optics focusing a laser beam of the laser. Alternatively, the delivery means may comprise a high voltage generator or for introducing a foreign fluid, an injection cannula connected via a valve to a reservoir for the foreign fluid.

Das Hintergrundobjekt der Vorrichtung ist vorzugsweise ein stochastiches Punktemuster auf einer reflektierenden Folie, das während der Belichtungen der Bilder des Hintergrundobjekts kurzzeitig beleuchtet wird. Dabei kann die Dauer der Beleuchtung die Belichtungszeit des jeweiligen Bilds definieren. Alternativ kann die Dauer der Beleuchtung mittels eines Verschlusses der jeweiligen Kamera definiert werden. Die Beleuchtung des Hintergrundobjekts kann günstiger Weise mit einer LED-Lampe erfolgen, in der die LED mit einem weit über ihrem Nennstrom liegenden kurzzeitigem Strom beaufschlagt wird, um sehr kurze Lichtpulse hoher Lichtintensität zu generieren.The background object of the device is preferably a stochastic dot pattern on a reflective sheet which is briefly illuminated during the exposures of the images of the background object. The duration of the illumination can define the exposure time of the respective image. Alternatively, the duration of the illumination can be defined by means of a shutter of the respective camera. The illumination of the background object can be done favorably with an LED lamp, in which the LED is exposed to a short-term current far above its rated current in order to generate very short light pulses of high light intensity.

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.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.In the following the invention will be further explained and described with reference to preferred embodiments shown in the figures.

1 skizziert eine erste Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten eines Fluids in einer Seitenansicht. 1 outlines a first device for carrying out the method for determining local flow velocities of a fluid in a side view.

2 zeigt die Vorrichtung gemäß 1 in einer Frontalansicht. 2 shows the device according to 1 in a frontal view.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung von lokalen wandnahen Strömungsgeschwindigkeiten eines Fluids. 3 shows a second embodiment of the apparatus for performing the method for Determination of local near-wall flow velocities of a fluid.

4 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer stereoskopischen Kameraanordnung. 4 shows an apparatus for performing the method with a stereoscopic camera arrangement.

5 skizziert eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Fluggeschwindigkeit eines Flugzeugs; und 5 outlines an apparatus for performing the method for determining the airspeed of an aircraft; and

6 skizziert die Auswertung der bei dem Verfahren aufgenommenen Bilder eines Hintergrundobjekts. 6 outlines the evaluation of the images taken in the process of a background object.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

Die in den 1 und 2 in zwei Ansichten gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten in der Strömung 2 eines Fluids 3. Hierzu wird mit einem Laser 4 und einer diesem vorgeschalteten fokussierenden Optik 5 ein Laserstrahl 6 in einen Fokuspunkt 7 innerhalb des Fluids 3 fokussiert, um dort kurzzeitig und über ein kleines Volumen ein Plasma zu zünden, das eine erhöhte Absorption für die Lichtenergie des Laserstrahls 6 aufweist und so durch Aufheizen des Fluids ermöglicht, eine räumlich begrenzte Dichteschwankung 8 in dem Fluid 3 zu generieren. Diese Dichteschwankung weist kein eigenes Geschwindigkeitsfeld auf und wandert mit der Strömung wie ein der Strömung zugesetzter kleiner Partikel. Diese Wanderung wird beobachtet, indem mit einer Kamera 9 Bilder eines Hintergrundobjekts 10 aufgenommen werden, bei dem es sich hier um ein stochastisches Punktemuster 11 handelt, das auf eine reflektierende Folie 12 aufgedruckt ist und von einer hier nicht dargestellten Lichtquelle beleuchtet wird, die mit der Kamera 9 synchronisiert sein kann. Dort wo sich die Dichteschwankung 8 vor dem Hintergrundobjekt 10 befindet, resultieren Verschiebungen oder andere Verzeichnungen der Punkte des Punktemusters, die durch einen Vergleich mit einem Bild des Hintergrundobjekts 10 ohne die Dichteschwankung 8 leicht lokalisiert werden können.The in the 1 and 2 shown in two views device 1 serves to determine local flow velocities in the flow 2 a fluid 3 , This is done with a laser 4 and a focusing optics preceding this 5 a laser beam 6 into a focal point 7 within the fluid 3 focused, there briefly and over a small volume to ignite a plasma, which increased absorption for the light energy of the laser beam 6 and thus allows by heating the fluid, a spatially limited density variation 8th in the fluid 3 to generate. This density variation does not have its own velocity field and travels with the flow like a small particle added to the flow. This hike is observed by using a camera 9 Pictures of a background object 10 which is a stochastic dot pattern 11 acting on a reflective foil 12 is printed on and illuminated by a light source, not shown here, with the camera 9 can be synchronized. Where is the density fluctuation 8th in front of the background object 10 This results in shifts or other distortions of the points of the dot pattern resulting from a comparison with an image of the background object 10 without the density variation 8th can be easily located.

3 skizziert eine alternative Einbringung von Energie in das Fluid 3 zur Erzeugung der Dichteschwankung 8. Hierzu wird der Laserstrahl 6 des Lasers 4 mit der fokussierenden Optik 5 auf die Oberfläche 13 des Hintergrundobjekts 10 fokussiert, um diese räumlich und zeitlich begrenzt zu erhitzen, wodurch das an diese erhitzte Oberfläche 13 angrenzende Fluid 3 erwärmt wird, so dass die räumlich begrenzte Dichteschwankung 8 entsteht. Alternativ könnte ein kleiner Bereich der Oberfläche 13 elektrisch beheizt werden, beispielsweise durch ein Widerstandsheizelement. Die räumlich und zeitlich begrenzte Erhitzung des Fluids 3 über eine angrenzende Oberfläche 13 bietet sich insbesondere bei Strömungen 2 von Fluid 3 in einem engen Kanal 14 an, wie er hier durch eine Begrenzungslinie 15 skizziert ist. Bis auf die Art und Weise der Erzeugung der räumlich und zeitlich begrenzten Dichteschwankung 8 unterscheidet sich die Funktion der in 3 skizzierten Vorrichtung nicht von derjenigen, die in den 1 und 2 skizziert ist. 3 outlines an alternative introduction of energy into the fluid 3 for generating the density variance 8th , For this purpose, the laser beam 6 the laser 4 with the focusing optics 5 on the surface 13 the background object 10 focused to heat these spatially and temporally limited, causing the surface heated to this 13 adjacent fluid 3 is heated, so that the spatially limited density fluctuation 8th arises. Alternatively, a small area of the surface could be 13 electrically heated, for example, by a resistance heating element. The spatially and temporally limited heating of the fluid 3 over an adjacent surface 13 especially suitable for currents 2 of fluid 3 in a narrow channel 14 on, as he is here by a boundary line 15 outlined. Except for the way of generating the spatially and temporally limited density fluctuation 8th differs the function of in 3 not outlined by the device in the 1 and 2 outlined.

Die Vorrichtung 1 gemäß 4 umfasst anders als dargestellt auch einen Laser und eine fokussierende Optik, um den Laserstrahl 6 in dem Fluid 3 zu fokussieren. Hier wird die räumliche Lage der generierten Dichteschwankung 8 mit zwei Kameras 9, 19 durch Aufnehmen von stereoskopischen Bildern des Hintergrundobjekts 10 erfasst. Dabei kann das gesamte Geschwindigkeitsfeld der Strömung 2 des Fluids 3 – wie auch bei den anderen Vorrichtungen 1 gemäß den 1 bis 3 – durch Verschieben des Fokuspunkts 7 abgerastert werden.The device 1 according to 4 Unlike shown, it also includes a laser and focusing optics around the laser beam 6 in the fluid 3 to focus. Here is the spatial location of the generated density variability 8th with two cameras 9 . 19 by taking stereoscopic images of the background object 10 detected. Here, the entire velocity field of the flow 2 of the fluid 3 - as with the other devices 1 according to the 1 to 3 - By moving the focus point 7 be scanned.

Die in 5 skizzierte Vorrichtung 1 dient zur Messung der Fluggeschwindigkeit eines Flugzeugs, von dem hier nur eine Auftriebsfläche 16 angedeutet ist. Das stochastische Punktemuster 11 als Hintergrundobjekt 10 ist auf diese Auftriebsfläche 16 aufgedruckt und wird mit der Kamera 9 beobachtet. Die lokalen Dichteschwankungen werden durch Gasentladung zwischen zwei Hochspannungselektroden 17 und 18 generiert, an die ein Hochspannungsgenerator 20 Spannungspulse anlegt. Auch hier wird die Dichteschwankung 8 von der Strömung 2 des Fluids 3 mitgenommen und ihre Wanderung längs des Seitenleitwerks 16 wird durch die von ihr beeinflussten Bilder des Hintergrundobjekts 10 erfasst.In the 5 sketched device 1 is used to measure the airspeed of an aircraft, of which only one buoyancy surface 16 is indicated. The stochastic dot pattern 11 as a background object 10 is on this buoyancy surface 16 imprinted and used with the camera 9 observed. The local density fluctuations are due to gas discharge between two high voltage electrodes 17 and 18 generated, to which a high voltage generator 20 Applies voltage pulses. Again, the density fluctuation 8th from the flow 2 of the fluid 3 taken along and their walk along the rudder 16 is affected by the images of the background object influenced by it 10 detected.

6 skizziert die Auswertung der Bilder des Hintergrundobjekts zur Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit in dem Fluid. Von Bildern 21 und 22 des Hintergrundobjekts mit davorliegender Dichteschwankung zu unterschiedlichen Zeitpunkten wird die Differenz zu einem Referenzbild 23 ohne das Hintergrundobjekt gebildet. Die Differenzbilder 24 und 25 weisen nur an den Stellen des Hintergrundobjekts, vor denen sich die Dichteschwankung befand, Signal 26 bzw. 27 auf. Der Abstand des Schwerpunkts dieser Signale ist – bis auf die Abbildungsverhältnisse, die es zu berücksichtigen gilt, der gesuchte Geschwindigkeitsvektor 28, d. h. die lokale Strömungsgeschwindigkeit des Fluid. Dieser Geschwindigkeitsvektor 28 kann für alle interessierenden Bereiche durch Abrastern dieser Bereiche mit dem Ort des Energieantrags in das Fluid bestimmt werden. 6 outlines the evaluation of the images of the background object to determine the local flow velocity in the fluid. Of pictures 21 and 22 of the background object with the density fluctuation at different times becomes the difference to a reference image 23 formed without the background object. The difference pictures 24 and 25 indicate only at those points of the background object that were subject to the density variation 26 respectively. 27 on. The distance of the center of gravity of these signals is - apart from the imaging conditions, which must be taken into account - the sought-after velocity vector 28 ie the local flow velocity of the fluid. This velocity vector 28 can be determined for all areas of interest by scanning these areas with the location of the energy application in the fluid.

Das Fluid ist bei den hier beschriebenen Verfahren zur Bestimmung von lokalen Strömungsgeschwindigkeiten insbesondere ein Gas bzw. eine Gasmischung, wie beispielsweise Luft. Es kann sich aber auch um eine Flüssigkeit handeln. In jedem Fall muss das Fluid für das Aufnehmen der Bilder des Hintergrundobjekts durch das Fluid hindurch ausreichend transparent sein.The fluid is in the methods described here for determining local flow velocities, in particular a gas or a gas mixture, such as air. But it can also be a liquid. In any case, the fluid for taking the pictures of the Background object through the fluid to be sufficiently transparent.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist es grundsätzlich möglich, den Energieeintrag in das Fluid zur Erzeugung mehrere Dichteschwankungen 8 an voneinander beabstandeten Orten vorzusehen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Orte der Generation der Dichteschwankung 8 so weit voneinander entfernt liegen, so dass auch nach längeren Laufzeiten keine Verwechslungen zwischen ihnen möglich sind. Das Verfahren kann aber auch tatsächlich mit jeweils nur einer einzigen Dichteschwankung in jedem Bild durchgeführt werden. In diesem Fall ist die Auswertung der Bilder besonders einfach. Sie kann auch entsprechend schnell durchgeführt werden, so dass nicht die gesamten Bilder sondern nur die daraus gewonnenen Geschwindigkeitsvektoren abgespeichert werden können, um Speicherplatz einzusparen.In the method described here, it is fundamentally possible for the energy input into the fluid to produce a plurality of density fluctuations 8th to provide at spaced locations. This is especially possible if the places of the generation of density fluctuation 8th so far apart, so that even after longer periods no confusion between them are possible. However, the method can actually be performed with only a single density variation in each image. In this case, the evaluation of the images is particularly easy. It can also be carried out correspondingly quickly, so that not the entire images but only the speed vectors derived therefrom can be stored in order to save storage space.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtungcontraption
22: Strömungflow
33: Fluidfluid
44: Laserlaser
55: Optikoptics
66: Laserstrahllaser beam
77: Fokuspunktfocus point
88th: Dichteschwankungdensity fluctuation
99: Kameracamera
1010: HintergrundobjektBackground object
1111: Punktemusterdot pattern
1212: reflektierende Foliereflective foil
1313: Oberflächesurface
1414: Kanalchannel
1515: Begrenzungslinieboundary line
1616: Seitenleitwerkfin
1717: HochspannungselektrodeHigh-voltage electrode
1818: HochspannungselektrodeHigh-voltage electrode
1919: Kameracamera
2020: HochspannungsgeneratorHigh voltage generator
2121: Bildimage
2222: Bildimage
2323: Referenzbildreference image
2424: Differenzbilddifference image
2525: Differenzbilddifference image
2626: Signalsignal
2727: Signalsignal
2828: Geschwindigkeitsvektorvelocity vector

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006047286 A1 [0003, 0005]

Claims

Method for determining local flow velocities in a flowing fluid ( 3 ), through which images ( 21 . 22 ) of a background object ( 10 ) and compared with each other in order to achieve a spatial displacement of at least one density fluctuation ( 8th ) of the fluid ( 3 ) with time, characterized in that spatially and temporally limited energy or in the refractive index of the fluid ( 3 ) differing foreign fluid into the fluid ( 3 ) is introduced in order to determine the at least one density fluctuation ( 8th ) in the fluid ( 3 ) to generate.

A method according to claim 1, characterized in that the energy or the foreign fluid spatially punctiform in the fluid ( 3 ) is introduced.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the energy or the foreign fluid punctually in time in the fluid ( 3 ) is introduced.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the energy by focused light into the fluid ( 3 ) is introduced.

A method according to claim 4, characterized in that the light at the focus ( 7 ) a plasma in the fluid ( 3 ) ignites.

Method according to at least one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the energy by heating one to the fluid ( 3 ) adjacent surface ( 13 ) into the fluid ( 3 ) is introduced.

Method according to claim 6, characterized in that the surface ( 13 ) is heated by focused light.

Method according to claim 6, characterized in that the surface ( 13 ) is electrically heated.

Method according to at least one of the preceding claims 4, 5 and 7, characterized in that the light comprises pulses of laser light.

Method according to at least one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the energy is electrically introduced into the fluid ( 3 ) is introduced.

Method according to at least one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the foreign fluid with an injection cannula and / or through a hole in one of the fluid ( 3 ) adjacent surface ( 13 ) into the fluid ( 3 ) is introduced.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a region of interest of the flow ( 2 ) is scanned with the place of introduction of the energy or the foreign fluid.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the images ( 21 . 22 ) of the background object ( 10 ) are recorded simultaneously from at least two different directions.

Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that difference images ( 24 . 25 ) one image at a time ( 21 . 22 ) of the background object ( 10 ) with density fluctuation ( 8th ) and a reference image ( 23 ) of the background object ( 10 ) without density variability ( 8th ) to be generated.

Method according to claim 14, characterized in that for a signal ( 26 . 27 ) of each difference image ( 24 . 25 ) a center of gravity is determined.

A method according to claim 15, characterized in that from a positional shift of the center of gravity between two temporally successive difference images ( 24 . 25 ) is closed on a shift in the density fluctuation.

A method according to claim 14, characterized in that from an increase of a spatial extent of the density variation ( 8th ) in two temporally successive difference images ( 24 . 25 ) to a temperature of the fluid ( 3 ) in the environment of the density fluctuation ( 8th ) is closed.

Contraption ( 1 ) for determining local flow velocities in a flowing fluid ( 3 ) according to the method of at least one of the preceding claims, with a background object ( 10 ) and with at least one camera ( 9 . 19 ) to pass through the fluid ( 3 ) through pictures ( 21 . 22 ) of the background object ( 10 ), characterized in that an introduction device is provided, with spatially and temporally limited energy or in the refractive index of the fluid ( 3 ) differing foreign fluid into the fluid ( 3 ) is at least one density fluctuation ( 8th ) in the fluid ( 3 ) to generate.

Contraption ( 1 ) according to claim 18, characterized in that the introduction device comprises a laser ( 4 ) and a laser beam ( 6 ) of the laser ( 4 ) focusing optics ( 5 ) having.

Contraption ( 1 ) according to claim 18, characterized in that the introduction device comprises a high voltage generator ( 20 ) having.

Contraption ( 1 ) according to claim 18, characterized in that the introduction device has a via a valve to a memory for the foreign fluid connected injection cannula.

Contraption ( 1 ) according to at least one of the preceding claims 18 to 21, characterized in that the background object ( 10 ) a stochastic dot pattern ( 11 ) on a reflective foil ( 12 ).