DE102020108897A1

DE102020108897A1 - Verfahren und System zum Visualisieren einer Fluidströmung in einem Strömungskanal

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Publication number: DE102020108897A1
Application number: DE102020108897.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf Stark; Stephan General
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: DE102020108897B4

Abstract

Um ein Verfahren zum Visualisieren einer Fluidströmung in einem Strömungskanal, welcher von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand begrenzt ist, so zu verbessern, dass Fluidströmungen auf einfache Weise visualisierbar sind, wird vorgeschlagen, dass bei dem Verfahren ein endoskopischer Zugang zum Strömungskanal durch die Kanalwand eröffnet wird, dass ein Strahlungsfeld kohärenter Strahlung durch den endoskopischen Zugang in den Strömungskanal geleitet wird zum Erzeugen eines Specklemusters auf einer dem endoskopischen Zugang gegenüberliegenden inneren Wandfläche der Kanalwand, dass ein Referenzbild des Specklemusters ohne Fluidströmung im Strömungskanal und mindestens ein Strömungsbild des Specklemusters mit Fluidströmung im Strömungskanal durch den endoskopischen Zugang aufgenommen werden und dass mindestens eine physikalische Eigenschaft der Fluidströmung durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild bestimmt wird.Ferner wird ein verbessertes System zum Visualisieren einer Fluidströmung in einem Strömungskanal vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Visualisieren einer Fluidströmung in einem Strömungskanal, welcher von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand begrenzt ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Visualisieren einer Fluidströmung in einem Strömungskanal, welcher von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand begrenzt ist, wobei das System eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Strahlungsfelds kohärenter Strahlung und eine Kamera umfasst.
Zur Visualisierung von Strömungen in optisch transparenten Fluiden sind verschiedene Methoden bekannt. Neben rein qualitativen Methoden, wie insbesondere dem Sichtbarmachen einer Fluidströmung durch Zugabe von beispielsweise Farbstoffen, Dampf- oder Gasblässchen, gibt es auch Verfahren, mit denen sich zusätzlich physikalische Parameter wie Dichte und Strömungsgeschwindigkeit bestimmen lassen. Bei diesen Verfahren werden kleine, optisch verfolgbare Partikel in die Strömung eingebracht. Diese können optisch verfolgt werden, um so insbesondere ein Geschwindigkeitsfeld der Strömung zu bestimmen.
Ferner gibt es Schlierenverfahren, bei denen die Strömung durch Lichtablenkung aufgrund von Brechungsindexgradienten sichtbar gemacht wird.
Weiterhin ist bekannt, beim sogenannten BOS-Verfahren („Background Oriented Schlieren“) ein spezielles Hintergrundmuster, das üblicherweise aus zufällig verteilten Punkten besteht, mit einer Kamera aufzunehmen, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der Strömung befindet. Aus dem optischen Versatz dieses Punktemusters im Fall des durchströmten Systems gegenüber einer Vergleichsaußenaufnahme des undurchströmten Systems kann dann auf die Dichteverteilung der untersuchten Fluidströmung zurückgeschlossen werden. Der optische Versatz wird mit einer Datenverarbeitungseinrichtung unter Einsatz von Software-Algorithmen bestimmt. Daher handelt es sich beim BOS-Verfahren nicht um eine direkt bildgebende Technik. Das BOS-Verfahren zeichnet sich jedoch durch einen besonders einfachen Versuchsaufbau aus, da neben der Kamera keinerlei optische Elemente benötigt werden.
Anstatt eines realen Hintergrundmusters wird beim sogenannten „Laser Speckle Background Oriented Schlieren“, auch als „Speckle“-BOS bezeichnet, ein sogenanntes Specklemuster als Hintergrundmuster verwendet. Dieses entsteht, indem man eine Wand hinter der Fluidströmung mit Laserlicht beleuchtet. Mikroskopische Unebenheiten der beleuchteten Wand sorgen dafür, dass das von der Wand reflektierte Laserlicht auf dem Kamerasensor ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Punkten bildet. Durchläuft das Laserlicht dabei die Strömung, verschieben sich die Intensitätsminima und -maxima des Interferenzmusters.
Alle genannten Verfahren zur optischen Strömungsvisualisierung eignen sich nur bedingt für den Einsatz in geschlossenen System, wie beispielsweise in Rohren, Sammlern, Verteilern, Brennräumen oder auch Raketendüsen. Dies liegt insbesondere daran, dass man in der Regel mehrere Fenster für den optischen Zugang benötigt, wenn derartige Systeme untersucht werden sollen. Für die beschriebenen Verfahren üblicherweise müssen zwei gegenüberliegende Seiten des Systems mit parallel zueinander ausgerichteten transparenten Scheiben bestückt werden. Dabei muss mindestens eine der Scheiben eine Fläche aufweisen, die größer oder gleich groß wie die des beobachteten Bereiches ist. Durch das Einbringen von Scheiben werden jedoch Rotationssymmetrien der untersuchten Systeme gebrochen und die Abbildung der zu untersuchenden Strömung wird stark verfälscht. Ferner haben die in der Regel verwendeten Glasscheiben nur eine begrenzte thermische und strukturelle Integrität. Diese wirkt sich besonders bei der Untersuchung von Heißgasströmungen, die im Bereich der Raketenantriebe, der Luftfahrtantriebe und der Gasturbinen auftreten, negativ aus.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass Fluidströmungen auf einfache Weise visualisierbar sind.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei dem Verfahren ein endoskopischer Zugang zum Strömungskanal durch die Kanalwand eröffnet wird, dass ein Strömungsfeld kohärenter Strahlung durch den endoskopischen Zugang in den Strömungskanal geleitet wird zum Erzeugen eines Specklemusters auf einer dem endoskopischen Zugang gegenüberliegenden inneren Wandfläche der Kanalwand, dass ein Referenzbild des Specklemusters ohne Fluidströmung im Strömungskanal und mindestens ein Strömungsbild des Specklemusters mit Fluidströmung im Strömungskanal durch den endoskopischen Zugang aufgenommen werden und dass mindestens eine physikalische Eigenschaft der Fluidströmung durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild bestimmt wird.
Mit einem solchen Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, eine Fluidströmung in einem von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand begrenzten Strömungskanal zu visualisieren. Anders als beispielsweise bei dem oben beschriebenen Speckle-BOS-Verfahren werden also nicht zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Strömungskanals angeordnete Fenster benötigt, sondern lediglich ein endoskopischer Zugang in den Kanal hinein. Endoskopisch in diesem Sinne ist insbesondere so zu verstehen, dass beispielsweise ein Zugang mit kreisförmigem Querschnitt einen Durchmesser aufweist, der nicht größer als etwa 25 mm ist. Beim Speckle-BOS-Verfahren wird das Specklemuster auf einer hinter dem Strömungskanal angeordneten Wand erzeugt, so dass für eine hinreichende Ausleuchtung dieser Wandfläche große, gegenüberliegende Fenster in den Strömungskanal eingesetzt werden müssen. Diese führen insbesondere bei rotationssymmetrischen Strömungskanälen zu einer unerwünschten Beeinflussung der Fluidströmung. Der endoskopische Zugang bildet praktisch keine Störung des Systems. Zudem wird nur ein einziger Zugang in den Strömungskanal hinein benötigt, also kein dem Zugang, der herkömmlich mit einem Fenster realisiert wird, gegenüberliegendes zweites Fenster, welches aufgrund einer Aufweitung des Strahlungsfelds relativ groß sein muss. Durch die vorgeschlagene Vereinfachung des Verfahrens wird der Einfluss auf die Fluidströmung minimiert. Das dem endoskopischen Zugang zum Strömungskanal gegenüberliegende Fenster wird überflüssig, da das Specklemuster nicht auf einer Wandfläche hinter dem Strömungskanal erzeugt wird, sondern auf der dem Zugang gegenüberliegenden inneren Wandfläche des Strömungskanals. Dadurch, dass wie beschrieben auf Fenster in der Kanalwand verzichtet werden kann, eignet sich das Verfahren insbesondere auch zur Untersuchung von Heißgasströmungen. Mit dem Verfahren lassen sich insbesondere Fluidströmungen optisch transparenter Fluide in praktisch beliebig geformten Strömungskanälen untersuchen. Optional können auch zwei endoskopische Zugänge genutzt werden, um einerseits das Strahlungsfeld in den Strömungskanal zu leiten und andererseits mit der Kamera Bilder des Specklemuster auf der inneren Wandfläche des Strömungskanals aufzunehmen.
Ein Specklemuster kann zuverlässig erzeugt werden, wenn das Strahlungsfeld kohärenter Strahlung mit einem Laser erzeugt wird.
Vorzugsweise wird das Strahlungsfeld kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm erzeugt. Insbesondere wird das Strahlungsfeld kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 600 nm erzeugt. Kohärente Strahlung in den genannten Wellenlängenbereichen ist optimal geeignet, um mit Kameras im sichtbaren Spektralbereich hochaufgelöste Bilder aufzunehmen.
Das Strahlungsfeld lässt sich einfach und sicher in den Strömungskanal hineinleiten, wenn es mit einem Endoskop durch den endoskopischen Zugang in den Strömungskanal geleitet wird. Das Endoskop muss dann mit seinem freien Ende beispielsweise nicht über eine innere Wandfläche des Strömungskanals hinaus in diesen hinein vorgeschoben werden. So kann eine Wechselwirkung des Endoskops mit der Fluidströmung minimiert werden.
Um das Strahlungsfeld in definierter Weise in den Strömungskanal einzubringen und insbesondere auf der dem endoskopischen Zugang gegenüberliegenden inneren Wandfläche der Kanalwand abzubilden, ist es vorteilhaft, wenn zum Führen des Strahlungsfelds durch den endoskopischen Zugang ein Endoskop mit einer Endoskopoptik eingesetzt wird. Insbesondere ist ein Vorteil einer solchen Endoskopoptik, eine sehr hohe Tiefenschärfe des optischen Systems zu erreichen. So beginnt bei Endoskopen der Bereich, in dem Objekte scharf abgebildet werden können, in der Regel bereits wenige Millimeter hinter der Endoskopoptik und erstreckt sich dann bis ins Unendliche. Dadurch ist es bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht erforderlich, die Endoskopoptik auf den Hintergrund oder die Strömung zu fokussieren. Das vorgeschlagene Verfahren des somit im Wesentlichen justagefrei durchführbar und erfordert von einem Anwender daher nur eine minimale Erfahrung im Umgang mit optischen Systemen. Zudem ist es aufgrund seiner abgeschlossenen und kompakten Bauweise nahezu unempfindlich gegenüber Vibrationen und Schmutz.
Vorteilhaft ist es, wenn das Referenzbild und das mindestens eine Strömungsbild durch das Endoskop aufgenommen werden. Außer dem endoskopischen Zugang ist dann kein weiterer Zugang zum Strömungskanal erforderlich, um die Fluidströmung zu visualisieren.
Um die Fluidströmung bei deren Visualisierung nur minimal zu stören, ist es günstig, wenn das Endoskop nur so weit durch den endoskopischen Zugang eingeführt wird, dass ein freies Ende des Endoskops einen Teil der inneren Wandfläche der Kanalwand bildet oder nicht oder nur minimal über die innere Wandfläche der Kanalwand vorsteht.
Um das Strahlungsfeld kohärenter Strahlung in definierter Weise in den Strömungskanal einzuleiten, ist es vorteilhaft, wenn das Endoskop eine optische Achse definiert und wenn das Strahlungsfeld parallel zur optischen Achse außerhalb des Strömungskanals in das Endoskop mit einer mindestens eine optische Linse umfassenden Linsenoptik eingekoppelt wird.
Um sowohl das Strahlungsfeld kohärenter Strahlung in den Strömungskanal einzuleiten als auch um Bilder der Fluidströmung durch denselben Zugang aufnehmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Strahlungsfeld vor dem Einkoppeln in das Endoskop mit einem Strahlteiler umgelenkt wird. Das Endoskop kann somit zum Einleiten des Strahlungsfelds einerseits als auch zum Aufnehmen von Strömungsbildern und Referenzbildern genutzt werden.
Vorzugsweise wird das Strahlungsfeld im Bereich des endoskopischen Zugangs aufgeweitet. Insbesondere erfolgt die Aufweitung mit einer Weitwinkeloptik. Auf diese Weise kann wie beschrieben eine hohe Tiefenschärfe erreicht werden.
Günstig ist es, wenn die Weitwinkeloptik an einem freien Ende des Endoskops angeordnet oder wenn ein Endoskop eingesetzt wird, an dessen freiem, in den Strömungskanal weisenden Ende die Weitwinkeloptik angeordnet oder ausgebildet ist. Dies ermöglicht es insbesondere, den endoskopischen Zugang im Querschnitt zu minimieren, da eine Aufweitung des Strahlungsfelds erst am freien Ende des Endoskops mit der Weitwinkeloptik erfolgt. Dies kann im Strömungskanal oder im Bereich der Kanalwand sein.
Vorteilhaft ist es, wenn das Strahlungsfeld mit einem Öffnungswinkel in einem Bereich von etwa 30° bis etwa 80° aufgeweitet wird. Insbesondere kann es in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 60° aufgeweitet werden. Ein Öffnungswinkel in den angegebenen Bereichen ermöglicht eine hinreichend großflächige Durchleuchtung der Fluidströmung im Strömungskanal, sodass hinreichend große Bereiche der Fluidströmung trotz des sehr kleinen endoskopischen Zugangs visualisiert werden können.
Um ein für das Verfahren geeignetes Specklemuster erzeugen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die innere Wandfläche des Strömungskanals optisch rau ausgebildet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Strahlungsfeld derart in den Strömungskanal eingeleitet wird, dass ein Strahlungsfeldquerschnitt des Strahlungsfelds im Bereich des optischen Zugangs vor dem Eintritt oder Durchtritt in den Strömungskanal hinein minimal ist. Auf diese Weise lassen sich ein Querschnitt des endoskopischen Zugangs und damit auch eine Beeinflussung der Fluidströmung in Strömungskanal minimieren.
Um den Einfluss des endoskopischen Zugangs auf die Fluidströmung möglichst gering zu halten, ist es günstig, wenn der endoskopische Zugang in Form einer Durchbrechung der Kanalwand mit einer Querschnittsfläche von maximal etwa 6 mm², insbesondere maximal etwa 4 mm², ausgebildet wird.
Auf einfache Weise lässt sich ein endoskopischer Zugang zum Strömungskanal ausbilden, wenn er in Form einer Bohrung mit einem Durchmesser von maximal etwa 5 mm, insbesondere von maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere von maximal etwa 1 mm, ausgebildet wird.
Um physikalische Eigenschaften der Fluidströmung durch Bildvergleiche bestimmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Referenzbild und das mindestens eine Strömungsbild mit einer Kamera aufgenommen werden. Insbesondere kann es sich dabei um eine Einzelbildkamera oder eine Serienbildkamera handeln. Die aufgenommenen Bilder, also das Referenzbild und ein oder mehrere Strömungsbilder, können dann mit geeigneten Algorithmen unter Einsatz einer Datenverarbeitungseinrichtung oder einer Recheneinrichtung, beispielsweise einem Computer, bestimmt werden.
Vorzugsweise wird durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild ein Dichteverhältnis in der Fluidströmung bestimmt. Dies ermöglicht es insbesondere, die Verhältnisse insbesondere in komplexen Systemen wie beispielsweise gekrümmten Rohren oder konvergent-divergent geformten Raketendüsen oder jeglicher anderer Art beliebig geformter und durchströmter Systeme zu bestimmen.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird bei einem System der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das System ein Endoskop umfasst, welches ausgebildet ist zum Einführen durch einen endoskopischen Zugang in der Kanalwand und zum Führen des Strahlungsfelds kohärenter Strahlung durch den endoskopischen Zugang in den Strömungskanal hinein zum Erzeugen eines Specklemusters auf einer dem endoskopischen Zugang gegenüberliegenden inneren Wandfläche der Kanalwand, und dass die Kamera ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Referenzbilds des Specklemusters ohne Fluidströmung im Strömungskanal und mindestens eines Strömungsbilds des Specklemusters mit Fluidströmung im Strömungskanal durch den endoskopischen Zugang.
Mit einem solchen System können Fluidströmungen auf einfache Weise visualisiert werden. Das Endoskop ermöglicht einen Einblick in den Strömungskanal durch den endoskopischen Zugang in der Kanalwand, ohne dass die Fluidströmung überhaupt oder zumindest signifikant gestört wird. Es sind insbesondere keine besonderen optischen Kenntnisse eines Anwenders erforderlich, um das System einzusetzen. Insbesondere ist keine aufwendige Justage erforderlich. Das System kann zum Visualisieren einer Fluidströmung in Strömungskanälen unterschiedlichster Art und unterschiedlichster Querschnitte eingesetzt werden. Anders als eingangs beschrieben und aus dem Stand der Technik bekannt, werden insbesondere keine aufwendigen Fenster zum Einleiten des Strahlungsfelds in den Strömungskanal hinein und wieder aus diesem heraus benötigt, sondern ein einziger endoskopischer Zugang in der Kanalwand reicht aus, um zum einen ein Specklemuster auf einer dem endoskopischen Zugang gegenüberliegenden inneren Wandfläche der Kanalwand zu erzeugen und andererseits Bilder des Specklemusters mit und ohne Fluidströmung aufzunehmen. Es können aber wie oben beschrieben auch zwei endoskopische Zugänge vorgesehen werden.
Günstig ist es, wenn das System eine Datenverarbeitungseinrichtung umfasst, welche ausgebildet ist zum Bestimmen mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Fluidströmung durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild. Die Bestimmung physikalischer Eigenschaften erfolgt mit dem vorgeschlagenen System also nicht direkt, sondern indirekt durch Auswerten der aufgenommenen Bilder, nämlich durch Vergleich des mindestens einen Referenzbilds mit einem oder mehreren Strömungsbildern der Fluidströmung im Strömungskanal. Hierfür können insbesondere mathematische Algorithmen eingesetzt werden.
Dichteverhältnisse in der Fluidströmung lassen sich auf einfache Weise bestimmen, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet ist zum Bestimmen eines Dichteverhältnisses in der Fluidströmung durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild.
Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle in Form eines Lasers ausgebildet. So lassen sich Specklemuster zuverlässig erzeugen.
Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle ausgebildet zum Erzeugen des Strahlungsfelds mit kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm. Insbesondere ist die Strahlungsquelle ausgebildet zum Erzeugen des Strahlungsfelds kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 600 nm. Ein Strahlungsfeld mit einer Wellenlänge in den angegebenen Bereich zu erzeugen hat insbesondere den Vorteil, dass Bilder im sichtbaren Spektralbereich aufgenommen werden können. Insbesondere kann so auch die Funktion des Systems einfach überprüft werden, da das Specklemuster im Strömungskanal mit dem menschlichen Auge direkt ersichtbar ist.
Günstig ist es, wenn das Endoskop eine Endoskopoptik umfasst und wenn die Endoskopoptik mindestens eine optische Linse umfasst. Mit derartigen Endoskopen lassen sich Strahlungsfelder kohärenter Strahlung in gewünschter Weise durch den endoskopischen Zugang in den Strömungskanal hineinleiten.
Auf einfache Weise lässt sich das System ausbilden, wenn das Endoskop stabförmig ausgebildet ist und eine Hülse umfasst und wenn die Endoskopoptik in der Hülse angeordnet oder ausgebildet ist. Ein solches stabförmiges Endoskop lässt sich einfach handhaben. Zudem kann die Endoskopoptik, also beispielsweise eine oder mehrere optische Linsen, in der Hülse geschützt angeordnet werden. Insbesondere kann die Hülse optisch dicht für das Strahlungsfeld ausgebildet sein, um das Austreten durch die Hülse hindurch zu verhindern. Zudem kann eine strahlungsdichte Hülse auch das Einleiten unerwünschter Streustrahlung in das Endoskop hinein verhindern.
Günstig ist es, wenn das Endoskop eine optische Achse definiert und wenn das System eine Linsenoptik mit mindestens einer optischen Linse umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist zum Einkoppeln des Strahlungsfelds parallel zur optischen Achse in ein vom Strömungskanal weg weisendes Ende des Endoskops. Eine solche Anordnung ermöglicht es auf einfache Weise, das Strahlungsfeld in das Endoskop einzukoppeln und durch dieses hindurch in den Strömungskanal zu leiten.
Um durch das Endoskop sowohl das Strahlungsfeld in den Strömungskanal hineinzuleiten als auch mit der Kamera unter Verwendung des Endoskops Bilder der Fluidströmung im Strömungskanal aufnehmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn das System einen Strahlteiler umfasst, welcher zwischen der Linsenoptik und der Strahlungsquelle zum Umlenken des Strahlungsfelds einerseits und zwischen der Linsenoptik und der Kamera andererseits zum Abbilden des Referenzbilds und des mindestens einen Strömungsbildes auf die Kamera angeordnet ist. Der Strahlteiler ermöglicht es insbesondere, nur mit einem einzigen endoskopischen Zugang die Fluidströmung im Strömungskanal zu visualisieren. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, zwei endoskopische Zugänge am Strömungskanal vorzusehen, und zwar einen um das Strahlungsfeld in den Strömungskanal hineinzuleiten und den zweiten endoskopischen Zugang, um durch diesen hindurch ein Bild des Specklemusters auf der dem endoskopischen Zugang gegenüberliegenden inneren Wandfläche der Kanalwand aufzunehmen.
Vorzugsweise umfasst das System eine Weitwinkeloptik zum Aufweiten des Strahlungsfelds im Bereich des endoskopischen Zugangs. Mit einer solchen Weitwinkeloptik kann insbesondere ein großer Querschnitt des Strömungskanals durchleuchtet und so ein maximal großer Bereich der inneren Wandfläche des Strömungskanals, die dem endoskopischen Zugang gegenüberliegt ausgeleuchtet werden zum Erzeugen eines Specklemusters. Die Weitwinkeloptik hat zudem den Vorteil, dass eine hohe Tiefenschärfe erreichbar ist.
Die Handhabung des Systems lässt sich insbesondere dadurch weiter verbessern, dass die Weitwinkeloptik an einem freien Ende des Endoskops angeordnet ist oder dass das Endoskop die Weitwinkeloptik umfasst, welche an dessen freiem, in den Strömungskanal weisenden Ende angeordnet oder ausgebildet ist.
Um ein hinreichend großes Specklemuster auf der inneren Wandfläche des Strömungskanals erzeugen zu können, ist es günstig, wenn die Weitwinkeloptik eine Brennweite aufweist, welche einen Öffnungswinkel für das Strahlungsfeld in einem Bereich von etwa 30° bis etwa 80° definiert. Insbesondere kann der Öffnungswinkel in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 60° liegen.
Günstigerweise ist die innere Wandfläche des Strömungskanals optisch rau ausgebildet. So kann ein für die Visualisierung der Fluidströmung geeignetes Specklemuster auf der inneren Wandfläche des Strömungskanals erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Endoskop derart im endoskopischen Zugang angeordnet ist, dass ein Strahlungsfeldquerschnitt des Strahlungsfelds im Bereich des endoskopischen Zugangs vor dem Eintritt oder Durchtritt in den Strömungskanal hinein minimal ist. Dies ermöglicht es insbesondere, den endoskopischen Zugang möglichst klein auszubilden. Zudem lassen sich so Strahlungsverluste minimieren. Überdies kann auf diese Weise auch sichergestellt werden, dass mit der Kamera das Specklemuster hinreichend groß aufgenommen werden kann.
Um den Einfluss des Systems auf die Visualisierung der Fluidströmung zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn der endoskopische Zugang in Form einer Durchbrechung der Kanalwand mit einer Querschnittsfläche von maximal etwa 6 mm², insbesondere von maximal etwa 4 mm², ausgebildet ist.
Vorzugsweise definiert das Endoskop eine äußere Querschnittsfläche, die maximal etwa 6 mm², insbesondere maximal etwa 4 mm², beträgt. Dies ermöglicht es einem Anwender, das Endoskop durch einen entsprechend großen Zugang in der Kanalwand einzuführen.
Der endoskopische Zugang kann insbesondere auf einfache Weise ausgebildet werden, wenn die äußere Querschnittsfläche kreisförmig oder im Wesentlichen kreisförmig ist und einen Durchmesser von maximal etwa 5 mm, insbesondere von maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere von maximal etwa 1 mm, aufweist. Ein kreisförmiger Querschnitt des Endoskops lässt sich insbesondere mit einem endoskopischen Zugang in Form einer Bohrung gut kombinieren.
Günstigerweise ist der endoskopische Zugang in Form einer Bohrung ausgebildet. Diese lässt sich auf einfache Weise an einem Strömungskanal anbringen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Bohrung maximal etwa 5 mm, insbesondere maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere maximal etwa 1 mm, beträgt. Dies ermöglicht es, beispielsweise Endoskope mit einem Querschnitt von maximal etwa 1 mm durch die Bohrung einzuführen, wenn diese einen Durchmesser von etwa 1 mm aufweist. So wird eine Störung der Fluidströmung im Strömungskanal nahezu vermieden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Kamera in Form einer Einzelbildkamera oder einer Serienbildkamera ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich bei der Kamera um eine Digitalkamera oder eine Videokamera handeln. Mit den beschriebenen Kameras lassen sich auf einfache Weise Bilder von Specklemustern im Strömungskanal mit oder ohne Fluidströmung aufnehmen. Digitalkameras haben insbesondere den Vorteil, dass die erzeugten Bilder direkt mit einer geeigneten Datenverarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet werden können.
Des Weiteren wird die Verwendung eines der oben beschriebenen Systeme zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren vorgeschlagen. So lassen sich Fluidströmungen mit den beschriebenen Systemen auf einfache Weise visualisieren.
Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die nachfolgend in Form durchnummerierter Sätze definierten Ausführungsformen von Verfahren und Systemen zum Visualisieren einer Fluidströmung in einem Strömungskanal:

1. Verfahren zum Visualisieren einer Fluidströmung (12) in einem Strömungskanal (14), welcher von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand (16) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren ein endoskopischer Zugang (24) zum Strömungskanal (14) durch die Kanalwand (16) eröffnet wird, dass ein Strahlungsfeld (20) kohärenter Strahlung durch den endoskopischen Zugang (24) in den Strömungskanal (14) geleitet wird zum Erzeugen eines Specklemusters (72) auf einer dem endoskopischen Zugang (24) gegenüberliegenden inneren Wandfläche (70) der Kanalwand (16), dass ein Referenzbild des Specklemusters (72) ohne Fluidströmung (12) im Strömungskanal (14) und mindestens ein Strömungsbild des Specklemusters (72) mit Fluidströmung (12) im Strömungskanal (14) durch den endoskopischen Zugang (24) aufgenommen werden und dass mindestens eine physikalische Eigenschaft der Fluidströmung (12) durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild bestimmt wird.
2. Verfahren nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) kohärenter Strahlung mit einem Laser (60) erzeugt wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm erzeugt wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 600 nm.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) mit einem Endoskop (26) durch den endoskopischen Zugang (24) in den Strömungskanal (14) geleitet wird.
5. Verfahren nach Satz 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Führen des Strahlungsfelds (20) durch den endoskopischen Zugang (24) ein Endoskop (26) mit einer Endoskopoptik (32) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach Satz 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzbild und das mindestens eine Strömungsbild durch das Endoskop (26) aufgenommen werden.
7. Verfahren nach einem der Sätze 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) nur so weit durch den endoskopischen Zugang (24) eingeführt wird, dass ein freies Ende (28) des Endoskops (26) einen Teil der inneren Wandfläche (78) der Kanalwand (16) bildet oder nicht oder nur minimal über die innere Wandfläche (78) der Kanalwand (16) vorsteht.
8. Verfahren nach einem der Sätze 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) eine optische Achse (40) definiert und dass das Strahlungsfeld (20) parallel zur optischen Achse (40) außerhalb des Strömungskanals (14) in das Endoskop (26) mit einer mindestens eine optische Linse (42) umfassenden Linsenoptik (62) eingekoppelt wird.
9. Verfahren nach einem der Sätze 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) vor dem Einkoppeln in das Endoskop (26) mit einem Strahlteiler (46) umgelenkt wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) im Bereich des endoskopischen Zugangs (24) aufgeweitet wird, insbesondere mit einer Weitwinkeloptik (64).
11. Verfahren nach Satz 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Weitwinkeloptik (64) an einem freien Ende (28) des Endoskops (26) angeordnet oder dass ein Endoskop (26) eingesetzt wird, an dessen freiem, in den Strömungskanal (14) weisenden Ende (28) die Weitwinkeloptik (64) angeordnet oder ausgebildet ist.
12. Verfahren nach Satz 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) mit einem Öffnungswinkel (68) in einem Bereich von etwa 30° bis etwa 80° aufgeweitet wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 60°.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandfläche (70) des Strömungskanals (14) optisch rau ausgebildet wird.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) derart in den Strömungskanal (14) eingeleitet wird, dass ein Strahlungsfeldquerschnitt des Strahlungsfelds (20) im Bereich des endoskopischen Zugangs (24) vor dem Eintritt oder Durchtritt in den Strömungskanal (14) hinein minimal ist.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der endoskopische Zugang (24) in Form einer Durchbrechung (74) der Kanalwand (16) mit einer Querschnittsfläche von maximal etwa 6 mm², insbesondere maximal etwa 4 mm², ausgebildet wird.
16. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass der endoskopische Zugang in Form (24) einer Bohrung (76) mit einem Durchmesser von maximal etwa 5 mm, insbesondere von maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere von maximal etwa 1 mm, ausgebildet wird.
17. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzbild und das mindestens eine Strömungsbild mit einer Kamera (22) aufgenommen werden, insbesondere mit einer Einzelbildkamera oder einer Serienbildkamera.
18. Verfahren nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild ein Dichteverhältnis in der Fluidströmung (12) bestimmt wird.
19. System (110; 10) zum Visualisieren einer Fluidströmung (112; 12) in einem Strömungskanal (114; 14), welcher von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand (116; 16) begrenzt ist, wobei das System (110; 10) eine Strahlungsquelle (118, 18) zum Erzeugen eines Strahlungsfelds (120; 20) kohärenter Strahlung und eine Kamera (122; 22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ein Endoskop (26) umfasst, welches ausgebildet ist zum Einführen durch einen endoskopischen Zugang (24) in der Kanalwand (16) und zum Führen des Strahlungsfelds (20) kohärenter Strahlung durch den endoskopischen Zugang (24) in den Strömungskanal (14) hinein zum Erzeugen eines Specklemusters (72) auf einer dem endoskopischen Zugang (24) gegenüberliegenden inneren Wandfläche (70) der Kanalwand (16), und dass die Kamera (22) ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Referenzbilds des Specklemusters (72) ohne Fluidströmung (12) im Strömungskanal (14) und mindestens eines Strömungsbilds des Specklemusters (72) mit Fluidströmung (12) im Strömungskanal (14) durch den endoskopischen Zugang (24).
20. System nach Satz 19, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) eine Datenverarbeitungseinrichtung (58) umfasst, welche ausgebildet ist zum Bestimmen mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Fluidströmung (12) durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild.
21. System nach Satz 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (58) ausgebildet ist zum Bestimmen eines Dichteverhältnisses in der Fluidströmung (12) durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild.
22. System nach einem der Sätze 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (18) in Form eines Lasers (60) ausgebildet ist.
23. System nach einem der Sätze 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (18) ausgebildet ist zum Erzeugen des Strahlungsfelds (20) kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm, insbesondere in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 600 nm.
24. System nach einem der Sätze 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) eine Endoskopoptik (32) umfasst und dass die Endoskopoptik (32) mindestens eine optische Linse (34; 36) umfasst.
25. System nach Satz 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) stabförmig ausgebildet ist und eine Hülse (30) umfasst und dass die Endoskopoptik (32) in der Hülse (30) angeordnet oder ausgebildet ist.
26. System nach einem der Sätze 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) nur so weit durch den endoskopischen Zugang (24) eingeführt ist, dass ein freies Ende (28) des Endoskops (26) einen Teil der inneren Wandfläche (78) der Kanalwand (16) bildet oder nicht oder nur minimal über die innere Wandfläche (78) der Kanalwand (16) vorsteht.
27. System nach einem der Sätze 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) eine optische Achse (40) definiert und dass das System (10) eine Linsenoptik (62) mit mindestens einer optischen Linse (42) umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist zum Einkoppeln des Strahlungsfelds (20) parallel zur optischen Achse (40) in ein vom Strömungskanal (14) weg weisendes Ende (44) des Endoskops (26).
28. System nach Satz 27, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) einen Strahlteiler (46) umfasst, welcher zwischen der Linsenoptik (62) und der Strahlungsquelle (18) zum Umlenken des Strahlungsfelds (20) einerseits und zwischen der Linsenoptik (62) und der Kamera (22) andererseits zum Abbilden des Referenzbilds und des mindestens einen Strömungsbildes auf die Kamera (22) angeordnet ist.
29. System nach einem der Sätze 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) eine Weitwinkeloptik (64) umfasst zum Aufweiten des Strahlungsfelds (20) im Bereich des endoskopischen Zugangs (24).
30. System nach Satz 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Weitwinkeloptik (64) an einem freien Ende (28) des Endoskops (26) angeordnet ist oder dass das Endoskop (26) die Weitwinkeloptik (64) umfasst, welche an dessen freiem, in den Strömungskanal (14) weisenden Ende (28) angeordnet oder ausgebildet ist.
31. System nach Satz 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Weitwinkeloptik (64) eine Brennweite aufweist, welche einen Öffnungswinkel (68) für das Strahlungsfeld (20) in einem Bereich von etwa 30° bis etwa 80° definiert, insbesondere in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 60°.
32. System nach einem der Sätze 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandfläche (70) des Strömungskanals (14) optisch rau ausgebildet ist.
33. System nach einem der Sätze 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) derart im endoskopischen Zugang (24) angeordnet ist, dass ein Strahlungsfeldquerschnitt des Strahlungsfelds (20) im Bereich des endoskopischen Zugangs (24) vor dem Eintritt oder Durchtritt in den Strömungskanal (14) hinein minimal ist.
34. System nach einem der Sätze 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der endoskopische Zugang (24) in Form einer Durchbrechung (74) der Kanalwand (16) mit einer Querschnittsfläche von maximal etwa 6 mm², insbesondere maximal etwa 4 mm², ausgebildet ist.
35. System nach einem der Sätze 19 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) eine äußere Querschnittsfläche definiert, die maximal etwa 6 mm², insbesondere maximal etwa 4 mm², beträgt.
36. System nach Satz 35, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Querschnittsfläche kreisförmig oder im Wesentlichen kreisförmig ist und einen Durchmesser von maximal etwa 5 mm, insbesondere von maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere von maximal etwa 1 mm, aufweist.
37. System nach einem der Sätze 19 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der endoskopische Zugang (24) in Form einer Bohrung (76) ausgebildet ist, insbesondere mit einem Durchmesser von maximal etwa 5 mm, weiter insbesondere mit einem Durchmesser von maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere mit einem Durchmesser von maximal etwa 1 mm.
38. System nach einem der Sätze 19 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (22) in Form einer Einzelbildkamera oder einer Serienbildkamera ausgebildet ist, insbesondere in Form einer Digitalkamera oder einer Videokamera.
39. Verwendung eines Systems nach einem der Sätze 19 bis 38 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Sätze 1 bis 18.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen:

1: ein System zur Visualisierung einer Fluidströmung in einem Strömungskanal gemäß dem Stand der Technik;
2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Systems zum Visualisieren einer Fluidströmung in einem Strömungskanal gemäß der Erfindung;
3: eine schematische vergrößerte Teilansicht des Bereichs A aus 2.

In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems 110 zum Visualisieren einer Fluidströmung 112 in einem Strömungskanal 114 dargestellt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Der Strömungskanal 114 wird von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand 116 begrenzt. Die Fluidströmung 112 wird dabei definiert durch eine Strömung eines Fluides, insbesondere eines Gases oder einer Flüssigkeit. Das Fluid ist dabei optisch transparent.
Das System 110 umfasst eine Strahlungsquelle 118, die ausgebildet ist zum Erzeugen eines Strahlungsfelds 120 kohärenter Strahlung. Ferner umfasst das System 110 eine Kamera 122.
In der Kanalwand 116 sind zwei optische Fenster 124 und 126 einander gegenüberliegend angeordnet. Sie ragen aufeinander zu weisend in den Strömungskanal 114 hinein und führen zu Turbulenzen in der Fluidströmung nach dem Passieren der Fenster 124 und 126.
Die Kamera 122 ist mit ihrer optischen Achse 130 senkrecht zu den Fenstern 124 und 126 ausgerichtet.
Hinter dem Strömungskanal 114, also hinter dem optischen Fenster 126, ist eine Bildfläche 132 durch eine Wand 134 definiert. Die Bildfläche 132 ist optisch rau ausgebildet.
Um ein Bild der Bildfläche 132 aufnehmen zu können, ist ferner in einem Strahlengang 136 des Systems 110 vor der Kamera 122 ein Objektiv 138 angeordnet.
Zwischen dem Objektiv 138 und dem optischen Fenster 124 ist im Strahlengang 136 ein Strahlteiler 140 angeordnet. Er bildet eine Umlenkeinrichtung für das Strahlungsfeld 120.
Das Strahlungsfeld 120 definiert ausgehend von der Strahlungsquelle 118 eine weitere optische Achse 142. Am Strahlteiler 140 wird das Strahlungsfeld 120 um 90° umgelenkt in den Strahlengang 136. Das Strahlungsfeld 120 wird durch das optische Fenster 124 in den Strömungskanal 114 hinein- und durch das optische Fenster 126 aus dem Strömungskanal 114 herausgeleitet und trifft auf die Bildfläche 132.
Durch die optisch raue Bildfläche entsteht ein Specklemuster 144 auf der Bildfläche 132, wenn als Strahlungsquelle 118 beispielsweise ein Laser 146 zur Erzeugung kohärenter Strahlung eingesetzt wird. Durch die raue Bildfläche 132, die durch mikroskopische Unebenheiten gebildet wird, wird in der Kamera 122, beispielsweise auf einem in dieser angeordneten Film oder einem von dieser umfassten optischen Sensor ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Punkten erzeugt.
Zum Bestimmen einer physikalischen Eigenschaft der Fluidströmung 112 wird mit der Kamera 122 ein Referenzbild des Specklemusters 144 auf der Bildfläche 132 ohne Fluidströmung 112 aufgenommen und mit einem oder mehreren Strömungsbildern, die ebenfalls mit der Kamera 122, aber nun mit Fluidströmung 112 aufgenommen werden, verglichen. Auf diese Weise können Strömungen in optisch transparenten Fluiden indirekt visualisiert werden.
Bei vorhandener Fluidströmung 122 durchläuft das Strahlungsfeld 120 die Fluidströmung 112, wobei sich Intensitätsminima und Intensitätsmaxima des Interferenzmusters verschieben. Aus den Verschiebungen, die über den Vergleich der Strömungsbilder mit einem Referenzbild ermittelt werden, kann dann die physikalische Eigenschaft der Fluidströmung berechnet werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Systems zum Visualisieren einer Fluidströmung 12 in einem Strömungskanal 14, welcher von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand 16 begrenzt ist. Anders als beim System 110 ist beim System 10 lediglich ein endoskopischer Zugang 24 zum Eröffnen des Strömungskanals 14 vorgesehen, jedoch keine Fenster.
Auch das System 10 umfasst eine Strahlungsquelle 18 zum Erzeugen eines Strahlungsfelds 20 kohärenter Strahlung sowie eine Kamera 22.
Das System 10 umfasst ferner ein Endoskop 26 zum Führen des Strahlungsfelds 20 kohärenter Strahlung in den Strömungskanal 14 hinein. Ein distales Ende 28 des Endoskops 26 ist in den Zugang 24 eingeführt.
Das Endoskop 26 ist stabförmig ausgebildet und umfasst eine Hülse 30, in welcher eine vom Endoskop 26 umfasste Endoskopoptik 32 umfassend optische Linsen 34, 36 aufgenommen ist.
Die Hülse 30 beziehungsweise das Endoskop 26 definieren eine Längsachse 38, die auch eine optische Achse 40 des Systems 10 definiert.
Um das Strahlungsfeld 20 in das Endoskop 26 einzukoppeln, ist eine Sammellinse 42 zwischen einem zweiten Ende 44 des Endoskops 26 und einem Strahlteiler 46 angeordnet.
In Verlängerung der optischen Achse 40 zwischen dem Strahlteiler 46 und der Kamera 22 ist ein Objektiv 48 angeordnet.
Der Strahlteiler 46 ist derart angeordnet, dass das mit der Strahlungsquelle 18 erzeugte Strahlungsfeld 20, welches ausgehend von der Strahlungsquelle 18 eine optische Achse 50 definiert, um 90° umgelenkt wird in Richtung auf die Sammellinse 42.
Um das Strahlungsfeld 20 möglichst vollständig durch den Strahlteiler 46 leiten zu können, ist zwischen dem Strahlteiler 46 und der Strahlungsquelle 18 eine Kollimatorlinse 52 angeordnet.
Die Kamera 22 ist in Form einer Digitalkamera 54 ausgebildet, die über eine Datenleitung 56 mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 58 verbunden ist. Dies ermöglicht eine automatische Datenübertragung, insbesondere von den mit der Kamera 22 aufgenommenen Bildern, zur Datenverarbeitungseinrichtung 58.
Die Strahlungsquelle 18 ist in Form eines Lasers 60 ausgebildet, welcher kohärente Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm erzeugt. Insbesondere kann die Wellenlänge in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 600 nm liegen.
Die Sammellinse 42 bildet eine Linsenoptik 62, die angeordnet und ausgebildet ist zum Einkoppeln des Strahlungsfelds 20 parallel zur optischen Achse 40 in das vom Strömungskanal 14 weg weisende Ende 44 des Endoskops 26.
Das System 10 umfasst ferner eine Weitwinkeloptik 64 in Form einer Linse 66 zum Aufweiten des Strahlungsfelds 20 im Bereich des endoskopischen Zugangs 24.
Die Weitwinkeloptik 64 ist am Ende 28 des Endoskops 26 angeordnet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst das Endoskop 26 die Weitwinkeloptik 64, die an dessen in den Strömungskanal 14 weisendem Ende 28 angeordnet oder ausgebildet ist.
Die Weitwinkeloptik 64 weist eine Brennweite auf, welche wie schematisch in 3 dargestellt einen Öffnungswinkel 68 für das Strahlungsfeld 20 in einem Bereich von etwa 30° bis etwa 80° definiert. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt der Öffnungswinkel etwa 50° bis etwa 60°.
Eine innere Wandfläche 70 des Strömungskanals 14 ist optisch rau ausgebildet.
Das auf der Wandfläche 70, die dem endoskopischen Zugang 24 gegenüberliegt, auftreffende Strahlungsfeld 20 bildet in der oben beschriebenen Weise aufgrund der Rauheit der Wandfläche 70 ein Specklemuster 72, das mit der Kamera 22 aufgenommen werden kann.
Der endoskopische Zugang 24 ist in Form einer Durchbrechung 74 der Kanalwand 16 ausgebildet und weist eine Querschnittsfläche von maximal etwa 3 bis 4 mm² auf.
Das Endoskop 26 definiert eine äußere Querschnittsfläche von maximal etwa 3 bis 4 mm².
Die äußere Querschnittsfläche des Endoskops 26 ist kreisförmig beziehungsweise im Wesentlichen kreisförmig und weist einen Durchmesser von maximal 2 mm auf. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser maximal 1 mm.
Die Durchbrechung 74 ist in Form einer Bohrung 76 ausgebildet und weist einen Durchmesser von maximal 2 mm auf. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Bohrung 76 maximal 1 mm.
Das Endoskop 26 ist wie schematisch in 3 dargestellt nur so weit in den endoskopischen Zugang 24 eingeführt, dass das Ende 28 des Endoskops 26 einen Teil der inneren Wandfläche 78 der Kanalwand 16 bildet und nicht beziehungsweise nur minimal über die Wandfläche 78 vorsteht. So kann insbesondere ein Strahlungsfeldquerschnitt des Strahlungsfelds 20 im Bereich des endoskopischen Zugangs 24 vor dem Eintritt oder Durchtritt in den Strömungskanal 14 hinein minimiert werden.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 58 ist bei einem Ausführungsbeispiel in Form eines Computers ausgebildet, welcher mit einem oder mehreren Eingabegeräten 80, insbesondere in Form einer Tastatur oder einer Maus, und mit mindestens einem Ausgabegerät 82, wie beispielsweise einem Monitor oder einem Drucker, gekoppelt ist.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 58 ist ausgebildet zum Bestimmen einer oder mehrerer physikalischer Eigenschaften der Fluidströmung 12. Hierfür wird mit einem nicht näher erläuterten Algorithmus ein Vergleich eines oder mehrerer Strömungsbilder, die mit Fluidströmung 12 aufgenommen wurden, mit einem Referenzbild, welches ohne Fluidströmung 12 aufgenommen wurde, durchgeführt. Ein Beispiel für eine physikalische Eigenschaft ist ein Dichteverhältnis in der Fluidströmung 12.
Mit dem beschriebenen System 10 kann insbesondere ein Verfahren zum Visualisieren der Fluidströmung 12 im Strömungskanal 14 durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren wird wie bereits beschrieben die Kanalwand 16 eröffnet und ein endoskopischer Zugang 24 ausgebildet. Ein Strahlungsfeld 20 kohärenter Strahlung wird durch den Zugang 24 in den Strömungskanal 14 geleitet, um auf der dem Zugang 24 gegenüberliegenden Wandfläche 70 ein Specklemuster 72 zu erzeugen.
Um eine physikalische Eigenschaft der Fluidströmung 12 zu bestimmen, werden mindestens ein Referenzbild des Specklemusters 72 ohne Fluidströmung 12 und ein oder mehrere Strömungsbilder des Specklemusters 72 mit Fluidströmung 12 aufgenommen. Dies erfolgt durch den endoskopischen Zugang 24 hindurch. Durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild wird dann die gewünschte physikalische Eigenschaft der Fluidströmung 12 bestimmt.
Mit dem beschriebenen System lassen sich auf einfache Weise experimentelle Untersuchungen und Überwachungen von durchströmten Systemen wie insbesondere Raketenantrieben, Luftfahrtantrieben und Gasturbinen durchführen. Das System 10 sowie die beschriebenen Verfahren sind ferner auch zum Einsatz in Windkanälen, Verbrennungsmotoren sowie in der Medizintechnik und der allgemeinen Verfahrenstechnik geeignet.
Das beschriebene System 10 ist einfach im Aufbau und überdies schmutz- und vi brationsunem pfi ndlich.
Der Einsatz des Endoskops 26 kann auch in Kombination mit anderen Lichtquellen, insbesondere inkohärenten Lichtquellen, genutzt werden. Beispielsweise kann Weißlicht verwendet werden, um vor oder nach einer Messung eine optische Inspektion des Strömungskanals 14 durchzuführen.
Ferner können auch Gittermuster in den Strömungskanal 14 auf die Wandfläche 70 projiziert werden, um perspektivische Verzerrungen bei der Visualisierung der Strömung 12, die durch die Verwendung eines nicht ebenen Hintergrundes entstehen, bei der Datenverarbeitung korrigieren zu können.
Im Gegensatz zu dem beschriebenen System 110 hat das System 10 deutliche Vorteile. Die Verwendung des Endoskops 26 sowie die Erzeugung des Specklemusters 72 auf der Wandfläche 70 des Strömungskanals 14 hat den positiven Effekt, dass praktisch keine Beeinflussung der Fluidströmung 12 erfolgt, wie dies aufgrund der vorgesehenen optischen Fenster 124 und 126 beim System 110 durch einen Bruch der Rotationssymmetrie des Strömungskanals 14 der Fall ist.
Das System 10 eignet sich daher zur Untersuchung von Fluidströmungen 12 in beliebig geformten Strömungskanälen 14. Zudem ist es nahezu justagefrei und erfordert von einem Anwender nur eine minimale Erfahrung im Umgang mit optischen Systemen.
Bezugszeichenliste

10: System
12: Fluidströmung
14: Strömungskanal
16: Kanalwand
18: Strahlungsquelle
20: Strahlungsfeld
22: Kamera
24: Zugang
26: Endoskop
28: Ende
30: Hülse
32: Endoskopoptik
34: Linse
36: Linse
38: Längsachse
40: optische Achse
42: Sammellinse
44: Ende
46: Strahlteiler
48: Objektiv
50: optische Achse
52: Kollimatorlinse
54: Digitalkamera
56: Datenleitung
58: Datenverarbeitungseinrichtung
60: Laser
62: Linsenoptik
64: Weitwinkeloptik
66: Linse
68: Öffnungswinkel
70: Wandfläche
72: Specklemuster
74: Durchbrechung
76: Bohrung
78: Wandfläche
80: Eingabegerät
82: Ausgabegerät
110: System
112: Fluidströmung
114: Strömungskanal
116: Kanalwand
118: Strahlungsquelle
120: Strahlungsfeld
122: Kamera
124: optisches Fenster
126: optisches Fenster
128: Turbulenzen
130: optische Achse
132: Bildfläche
134: Wand
136: Strahlungsgang
138: Objektiv
140: Strahlteiler
142: optische Achse
144: Specklemuster
146: Laser

Claims

Verfahren zum Visualisieren einer Fluidströmung (12) in einem Strömungskanal (14), welcher von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand (16) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren ein endoskopischer Zugang (24) zum Strömungskanal (14) durch die Kanalwand (16) eröffnet wird, dass ein Strahlungsfeld (20) kohärenter Strahlung durch den endoskopischen Zugang (24) in den Strömungskanal (14) geleitet wird zum Erzeugen eines Specklemusters (72) auf einer dem endoskopischen Zugang (24) gegenüberliegenden inneren Wandfläche (70) der Kanalwand (16), dass ein Referenzbild des Specklemusters (72) ohne Fluidströmung (12) im Strömungskanal (14) und mindestens ein Strömungsbild des Specklemusters (72) mit Fluidströmung (12) im Strömungskanal (14) durch den endoskopischen Zugang (24) aufgenommen werden und dass mindestens eine physikalische Eigenschaft der Fluidströmung (12) durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) kohärenter Strahlung mit einem Laser (60) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm erzeugt wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 600 nm.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) mit einem Endoskop (26) durch den endoskopischen Zugang (24) in den Strömungskanal (14) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass a) zum Führen des Strahlungsfelds (20) durch den endoskopischen Zugang (24) ein Endoskop (26) mit einer Endoskopoptik (32) eingesetzt wird und/oder b) das Referenzbild und das mindestens eine Strömungsbild durch das Endoskop (26) aufgenommen werden und/oder c) das Endoskop (26) nur so weit durch den endoskopischen Zugang (24) eingeführt wird, dass ein freies Ende (28) des Endoskops (26) einen Teil der inneren Wandfläche (78) der Kanalwand (16) bildet oder nicht oder nur minimal über die innere Wandfläche (78) der Kanalwand (16) vorsteht, und/oder d) das Endoskop (26) eine optische Achse (40) definiert und dass das Strahlungsfeld (20) parallel zur optischen Achse (40) außerhalb des Strömungskanals (14) in das Endoskop (26) mit einer mindestens eine optische Linse (42) umfassenden Linsenoptik (62) eingekoppelt wird und/oder e) das Strahlungsfeld (20) vor dem Einkoppeln in das Endoskop (26) mit einem Strahlteiler (46) umgelenkt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfeld (20) im Bereich des endoskopischen Zugangs (24) aufgeweitet wird, insbesondere mit einer Weitwinkeloptik (64), wobei insbesondere a) die Weitwinkeloptik (64) an einem freien Ende (28) des Endoskops (26) angeordnet oder dass ein Endoskop (26) eingesetzt wird, an dessen freiem, in den Strömungskanal (14) weisenden Ende (28) die Weitwinkeloptik (64) angeordnet oder ausgebildet ist, und/oder b) das Strahlungsfeld (20) mit einem Öffnungswinkel (68) in einem Bereich von etwa 30° bis etwa 80° aufgeweitet wird, insbesondere in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 60°.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die innere Wandfläche (70) des Strömungskanals (14) optisch rau ausgebildet wird und/oder b) das Strahlungsfeld (20) derart in den Strömungskanal (14) eingeleitet wird, dass ein Strahlungsfeldquerschnitt des Strahlungsfelds (20) im Bereich des endoskopischen Zugangs (24) vor dem Eintritt oder Durchtritt in den Strömungskanal (14) hinein minimal ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der endoskopische Zugang (24) a) in Form einer Durchbrechung (74) der Kanalwand (16) mit einer Querschnittsfläche von maximal etwa 6 mm², insbesondere maximal etwa 4 mm², ausgebildet wird und/oder b) in Form (24) einer Bohrung (76) mit einem Durchmesser von maximal etwa 5 mm, insbesondere von maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere von maximal etwa 1 mm, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Referenzbild und das mindestens eine Strömungsbild mit einer Kamera (22) aufgenommen werden, insbesondere mit einer Einzelbildkamera oder einer Serienbildkamera, und/oder b) durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild ein Dichteverhältnis in der Fluidströmung (12) bestimmt wird.
System (110; 10) zum Visualisieren einer Fluidströmung (112; 12) in einem Strömungskanal (114; 14), welcher von einer umlaufenden geschlossenen Kanalwand (116; 16) begrenzt ist, wobei das System (110; 10) eine Strahlungsquelle (118, 18) zum Erzeugen eines Strahlungsfelds (120; 20) kohärenter Strahlung und eine Kamera (122; 22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ein Endoskop (26) umfasst, welches ausgebildet ist zum Einführen durch einen endoskopischen Zugang (24) in der Kanalwand (16) und zum Führen des Strahlungsfelds (20) kohärenter Strahlung durch den endoskopischen Zugang (24) in den Strömungskanal (14) hinein zum Erzeugen eines Specklemusters (72) auf einer dem endoskopischen Zugang (24) gegenüberliegenden inneren Wandfläche (70) der Kanalwand (16), und dass die Kamera (22) ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Referenzbilds des Specklemusters (72) ohne Fluidströmung (12) im Strömungskanal (14) und mindestens eines Strömungsbilds des Specklemusters (72) mit Fluidströmung (12) im Strömungskanal (14) durch den endoskopischen Zugang (24).
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) eine Datenverarbeitungseinrichtung (58) umfasst, welche ausgebildet ist zum Bestimmen mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Fluidströmung (12) durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (58) ausgebildet ist zum Bestimmen eines Dichteverhältnisses in der Fluidströmung (12) durch Vergleich des mindestens einen Strömungsbilds mit dem Referenzbild.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Strahlungsquelle (18) in Form eines Lasers (60) ausgebildet ist und/oder b) die Strahlungsquelle (18) ausgebildet ist zum Erzeugen des Strahlungsfelds (20) kohärenter Strahlung mit einer Wellenlänge in einem Bereich von etwa 400 nm bis etwa 800 nm, insbesondere in einem Bereich von etwa 500 nm bis etwa 600 nm, und/oder c) das Endoskop (26) eine Endoskopoptik (32) umfasst und dass die Endoskopoptik (32) mindestens eine optische Linse (34; 36) umfasst, wobei insbesondere das Endoskop (26) stabförmig ausgebildet ist und eine Hülse (30) umfasst und dass die Endoskopoptik (32) in der Hülse (30) angeordnet oder ausgebildet ist, und/oder d) das Endoskop (26) nur so weit durch den endoskopischen Zugang (24) eingeführt ist, dass ein freies Ende (28) des Endoskops (26) einen Teil der inneren Wandfläche (78) der Kanalwand (16) bildet oder nicht oder nur minimal über die innere Wandfläche (78) der Kanalwand (16) vorsteht.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) eine optische Achse (40) definiert und dass das System (10) eine Linsenoptik (62) mit mindestens einer optischen Linse (42) umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist zum Einkoppeln des Strahlungsfelds (20) parallel zur optischen Achse (40) in ein vom Strömungskanal (14) weg weisendes Ende (44) des Endoskops (26), wobei insbesondere das System (10) einen Strahlteiler (46) umfasst, welcher zwischen der Linsenoptik (62) und der Strahlungsquelle (18) zum Umlenken des Strahlungsfelds (20) einerseits und zwischen der Linsenoptik (62) und der Kamera (22) andererseits zum Abbilden des Referenzbilds und des mindestens einen Strömungsbildes auf die Kamera (22) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) eine Weitwinkeloptik (64) umfasst zum Aufweiten des Strahlungsfelds (20) im Bereich des endoskopischen Zugangs (24).
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Weitwinkeloptik (64) a) an einem freien Ende (28) des Endoskops (26) angeordnet ist oder dass das Endoskop (26) die Weitwinkeloptik (64) umfasst, welche an dessen freiem, in den Strömungskanal (14) weisenden Ende (28) angeordnet oder ausgebildet ist und/oder b) eine Brennweite aufweist, welche einen Öffnungswinkel (68) für das Strahlungsfeld (20) in einem Bereich von etwa 30° bis etwa 80° definiert, insbesondere in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 60°.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandfläche (70) des Strömungskanals (14) optisch rau ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Endoskop (26) derart im endoskopischen Zugang (24) angeordnet ist, dass ein Strahlungsfeldquerschnitt des Strahlungsfelds (20) im Bereich des endoskopischen Zugangs (24) vor dem Eintritt oder Durchtritt in den Strömungskanal (14) hinein minimal ist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass a) der endoskopische Zugang (24) in Form einer Durchbrechung (74) der Kanalwand (16) mit einer Querschnittsfläche von maximal etwa 6 mm², insbesondere maximal etwa 4 mm², ausgebildet ist und/oder b) das Endoskop (26) eine äußere Querschnittsfläche definiert, die maximal etwa 6 mm², insbesondere maximal etwa 4 mm², beträgt, wobei insbesondere die äußere Querschnittsfläche kreisförmig oder im Wesentlichen kreisförmig ist und einen Durchmesser von maximal etwa 5 mm, insbesondere von maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere von maximal etwa 1 mm, aufweist, und/oder c) der endoskopische Zugang (24) in Form einer Bohrung (76) ausgebildet ist, insbesondere mit einem Durchmesser von maximal etwa 5 mm, weiter insbesondere mit einem Durchmesser von maximal etwa 2 mm, weiter insbesondere mit einem Durchmesser von maximal etwa 1 mm, und/oder d) die Kamera (22) in Form einer Einzelbildkamera oder einer Serienbildkamera ausgebildet ist, insbesondere in Form einer Digitalkamera oder einer Videokamera.
Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 10 bis 19 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.