DE10225616A1

DE10225616A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der aerodynamischen Wandschubspannungen an der Oberfläche eines umströmten Körpers

Info

Publication number: DE10225616A1
Application number: DE2002125616
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Schulze; Ole Dr. Trinks
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-06-08
Also published as: AU2003239764A8; AU2003239764A1; WO2003104769A2; DE10225616B4; EP1514086A2; WO2003104769A3

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der aerodynamischen Wandschubspannung in einer Meßzone (1a) der Oberfläche eines von einem Strömungsmedium umströmten Körpers (K), auf der im Bereich der Meßzone (1a) eine Meßschicht (S) angeordnet ist, die in einem ersten IR-Wellenlängenbereich thermisch transparent ist und in einem zweiten IR-Wellenlängenbereich Wärme absorbiert, um mittels eines Infrarotkamera-Meßsystems (2) die Temperatur (T¶w¶) auf der Oberfläche der Meßschicht (S) und die Temperatur (T¶s¶) auf der Fläche (F1), die von der Meßschicht (S) bedeckt wird, radiometrisch zu messen, wobei die Meßschicht (S) außerdem druckempfindlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von der aerodynamischen Wandschubspannungen an der Oberfläche eines umströmten Körpers.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Wandschubspannungen an der Oberfläche eines umströmten Körpers bekannt, bei denen dieses optisch mittels Ölanstrichverfahren bzw. PSP-Schichten ermittelt werden, wobei das Luminophor aus der Schicht während des Versuches „herausgewaschen" wurde. Der Nachteil dieser Verfahren und Vorrichtungen liegt darin, daß diese Methoden nur Ergebnisse durch Sichtbarmachung der Wandschubspannungen zulassen und ferner nicht kontinuierlich anwendbar sind. Das heißt, daß der Windkanal heruntergefahren werden und das Modell neu beschichtet werden muß, nachdem die Messung für eine bestimmte Strömungsbedingung und eine bestimmte Modellkonfiguration (Anstellwinkel des umströmten Körpers etc.) durchgeführt worden ist.
Aus der DE 41 34 313 C2 ist ein Infrarot-Meßverfahren zur berührungslosen, rückwirkungsfreien Temperatur-Ermittlung an einer oberflächenseitigen Teilzone eines mittels Wämeleitung wärme-durchströmten Körpers bekannt, bei dem die von der Körperoberfläche ausgehende Infrarot-Strahlung gemessen und hieraus unter Berücksichtigung des Emissionsverhältnisses die Oberflächen-Temperatur bestimmt wird. Der Körper ist in der oberflächen seitigen Teilzone spektral-selektiv, d.h. in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungs-absorbierend und in einem hiervon abgegrenzten, zweiten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungs-transparent, auf der Innenseite der Teilzone jedoch strahlungs-emittierend ausgebildet. Die von der Außenfläche der Teilzone ausgehende Strahlungsenergie im ersten und im zweiten Wellenlängen-Bereich wird getrennt gemessen. Die Temperatur auf der Außenfläche der Teilzone wird nach Maßgabe des Energieanteils im ersten und die Temperatur an der Innenfläche der Teilzone wird nach Maßgabe des Energieanteils im zweiten Wellenlängenbereich bestimmt. Über die Dicke der Oberflächen-bildenden Teilzone wird die örtliche Wärmestromdichte bestimmt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Wandschubspannungen an der Oberfläche eines umströmten Körpers bereitzustellen, bei dem bzw. bei der die Wandschubspannungsverteilung auf der Oberfläche eines umströmten Körpers mittels berührungsloser oder rückwirkungsfreier Messtechniken reversibel und flächenhaft ermittelt wird.
Bei reversiblen und flächenhaften Verfahren und Vorrichtungen erfolgen die Wandschub-Spannungsmessungen für verschiedene Messpunkte und Messreihen kontinuierlich und flächendeckend. Insbesondere bedeutet dies, daß die Wandschub-Spannungsmessungen für verschiedene Messpunkte und Messreihen erfolgen, ohne zwischen einzelnen Messpunkten den Windkanal herunterfahren zu müssen, um Applizierungen am Modell durchzuführen.
Erfindungsgemäß wird die Infrarot-Thermografie (IRT) und die optische Druckmeßtechnik (PSP) simultan oder quasi-simultan angewendet, um Druck- und Wandschubspannungsverteilungen flächendeckend auf skalierten Flugzeugmodellen im Windkanalversuch zu ermiteln. Dadurch können druck- und reibungsbezogene quantitative Meßdaten ohne Instrumentierungsaufwand für Anwendungsfälle oder Projekte geliefert und zur Weiterentwicklung von aerodynamischen Rechenverfahren genutzt werden.
Durch die Kombination von Infrarot-Thermografie-Verfahren (IRT) und Verfahren der optischen Druckmeßtechnik (PSP) ist es möglich, über die Reynoldsche Ähnlichkeitsanalogie Wandschubspannungen kontinuierlich während des laufenden Versuches zu ermitteln. Ferner kann das PSP-Druckbild mit der Temperaturinformation (IR-Kamera) korrigiert werden. Erfindungsgemäß ist eine Kombination beider Messtechniken (IR und PSP) über die Reynoldsche Ähnlichkeitsanalogie vorgesehen. Erfindungsgemäß wird die Wandschubspannung indirekt über ein Wärmefluß vom Modell zum Fluid und umgekehrt ermittelt. Über die Anwendung des erfinderischen Messverfahrens ist es möglich, zusätzlich zum örtlichen Wärmefluß die örtliche Geschwindigkeit am Modell zu bestimmen und mit Hilfe einer erweiterten Reynoldsanalogie die Wandschubspannung auch auf dreidimensionale Windkanalmodellen messtechnisch zu bestimmen.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Figuren beschrieben, die zeigen:

– 1 eine funktionale Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung und
– 2 einen Schnitt durch einen Oberflächen-nahen Bereich des Körpers mit einer Meßschicht.

Erfindungsgemäß werden physikalische Zustandsgrößen, insbesondere die Wandschubspannung und der Wärmefluß oder die Temperatur-Verteilung auf einer Oberfläche 1 oder einer Zone 1a eines umströmten Körpers K bestimmt. Der Körper K ist im Bereich der Meßzone 1a mit einer auf der Oberfläche 1 angeordneten Meßschicht S versehen, die die erfindungsgemässe Anwendung sowohl des vorgesehenen Druckmeß-Verfahrens und als auch des Infrarot-Thermografie-Verfahrens erlaubt. Bei einem u-y-Koordinatensystem (2), bei dem die Koordinate y quer zur Strömungsrichtung verläuft und senkrecht auf der Oberfläche 1 steht und u in die Strömunghsrichtung zeigt, ergeben sich meßtechnisch betrachtet zwei in y-Richtung voneinander beabstandete Bezugsflächen F1, F2. Die erste Bezugsfläche F1 ist identisch mit der Oberfläche des Körpers selbst, während die zweite Bezugsfläche F2 die Oberfläche der Meßschicht S, jeweils im Bereich der Meßzone 1a, bildet. Die erste Bezugsfläche F1 kann auch als Substrat-Oberfläche und die zweite Bezugsfläche F2 als Wandfläche bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß wird ein Infrarot-Meßsystem 2 verwendet, um den Wännefluß in die Oberfläche 1 des umströmten Körpers, d.h. durch die Meßschicht an einer lokalen Stelle einer Zone 1a oder die Verteilung des Wärmeflusses über die Oberfläche 1 bzw. F1 oder F2 zu bestimmen. Die Ermittlung der Verteilung des Wärmeflusses über die Oberfläche 1 in der Zone 1a erfolgt über die Ermittlung der Temperatur-Verteilung jeweils über die erste Fläche oder Wnd-Oberfläche F1 und die zweite Bezugsfläche oder Meßschicht-Oberfläche F2. Die Wärmefluß-Verteilung bzw. Temperatur-Verteilungen und Oberflächen-Druckverteilung kann erfindungsgemäß in einem Meßprozess mit derselben Meßkonfiguration erfolgen. Die Messung und Ermittlung der Werte der Wärmefluß-Verteilung bzw. Temperatur-Verteilungen und der Oberflächen-Druckverteilung kann mittels einer Prozessor-Einheit 4 und einer Synchronisations-Einheit 6 zeitgleich, also simultan, oder quasi-simultan oder auch in direkt oder nahezu aufeinanderfolgenden Iterationsschritten erfolgen, wobei die Zeitspanne für die Ermittlung dieser Werte in einem zeitlichen Rahmen liegen muß, bei dem eine vorbestimmte Genauigkeit der ermittelten Werte sichergestellt ist.
Die Bestimmung des Wärmeflußes erfolgt über ein Infrarot-Meßsystem 2. Die Oberflächendruckverteilung auf der Oberfläche 1 des umströmten Körpers wird mittels eines PSP-Systems 3 oder ein Druckmess-System erfaßt. Über eine Prozessoreinheit 4 aus der simultan bestimmten Wärmefluß- oder Temperatur-Verteilung und Oberflächen-Druckverteilung wird die Wandschubspannungs-Verteilung auf der Oberfläche 1 des umströmten Körpers bestimmt.
Die in der 1 dargestellte erfindungsgemässe Vorrichtung zur Bestimmung aerodynamischen Wandschubspannungsverteilung über die Bestimmung der Wärmefluß-Verteilung oder Temperatur-Verteilung und Oberflächen-Druckverteilung auf der Oberfläche 1 eines umströmten Körpers zeigt das Druckmeß-System 3 zur Bestimmung der Oberflächen-Druckverteilung auf der Oberfläche 1 des umströmten Körpers und das Infrarot-Meßsystem (IR-System) 2 zur Bestimmung der Wärmefluß-Verteilung oder Temperatur-Verteilung auf der Oberfläche 1 des umströmten Körpers. Das IR-System 2 weist eine Filtervorrichtung 5 auf, mit der die Temperaturverteilung in wenigstens zwei vorbestimmten, unterschiedlichen spektralen Emissionsbereichen erfaßt werden kann. Weiterhin zeigt die 1 die Synchronisationseinheit 6 zur zeitlichen Steuerung der Datenerfassung, die momentane Verteilung der zu ermittelnden physikalischen Größen Druck bzw. Temperatur in einem vorgegebenen Zeitintervall zu bestimmen.
Bei dem erfindungsgemässen Meßverfahren zur Ermittlung von Wandschubspannungen handelt es sich um ein simultanes, multispektrales Meßverfahren, das im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich arbeitet. Für die Bestimmung der Wandschub-Spannungen wird der örtliche Wärmefluß auf der Oberfläche des umströmten Modells mit Hilfe eines Zwei-Kanal-Infrarot-Kamerasystems, das dem absorptiven und dem transmissiven Bereich der Schicht S, die eine drucksensitive Beschichtung bildet, angepaßt ist, verwendet. Dadurch können die Temperatur-Verteilungen auf und unter der Schicht gemessen und der Wärmefluß unter Beachtung von Schichtdicke und Wärmeleitfähigkeit des Materials bestimmt werden. Aus dem Wärmefluß bzw. dem Wärmeübergangsbeiwert und dem örtlichen Druckbeiwert bzw. der örtlichen Geschwindigkeit wird dann über die Reynolds-Analogie die örtliche Wandschubspannung ermittelt.
Dabei wird ausgenutzt, daß die Meßschicht S sich sowohl für die Anwendung der Druckmeß-Verfahren als auch zu Anwendung der IR-Meßverfahren zur Ermittlung der Temperaturverteilungen auf den Flächen F1, F2 oder der entsprechenden Wärmefluß-Verteilung eignet. Erfindungsgemäß werden über ein kameragestütztes Verfahren in demselben Meßvorgang (d.h. mit derselben Meßanordnung) die örtlichen Wärmeflüsse in der Oberflächenschicht durch die Infrarot-Thermografie sowie die entsprechenden Oberflächendrücke über die spektroskopische Druckmeßtechnik erfaßt. Die Verknüpfung der beiden Meßparameter erfolgt über die sogenannte Reynoldsanalogie zur aerodynamischen Wandschubspannung.
Zur Berechnung der aerodynamischen Wandschubspannungen mittels der Prozessor-Einheit 4 werden die Meßparameter

– Beschichtungsdicke d
– Oberflächentemperatur T_w
– Substrat-Temperatur T_s , d.h. die Tempüeratur an der ersten Bezugsfläche,
– Statischer Druck P_w ,

_w

1

_G

Aus (2) und (3) folgt
mit
Das Symbol C_PG bezeichnet die spezifische Wärmekapazität des als Syrömungsmedium verwendeten Gases.
Ohne Reibung ergibt sich für
Hierbei bezeichnen:

– Pr die Prandtl-Zahl,
– u_δ die Geschwindigkeit am äußeren Rande der Grenzschicht,
– u_w die Geschwindigkeit an der Oberfläche 1 bzw. der zweiten Bezugsfläche F2,
– T_δ die Temperatur am äußeren Rande der Grenzschicht,
– T_w die Temperatur an der Oberfläche 1 bzw. der zweiten Bezugsfläche F2.

Mit Reibung unter Berücksichtigung, daß
u_w = 0
und
ist, folgt
und damit
wobei
ist. Unter Berücksichtigung von
ergibt sich
Da das Meßverfahren nur bei nicht-adiabater Modelloberfläche (T_w ≠ T_e) funktioniert, T_e aus der Messung also nicht zur Verfügung steht, wird der Wärmeübergangsbeiwert wie folgt gebildet:
Die Geschwindigkeit am Grenzschichtrand wird aus der optischen Druckmessung auf der Modelloberfläche und den Anströmbedingungen bei isentroper Zustandsänderung ermittelt.
Wegen dp/dn ≈ 0 (13) ist P_w ≈ P_δ , und damit
Für die Verknüpfung von Wärmefluß und Wandschubspannung ist der sogenannte Reynoldsanalogie-Faktor s zu berücksichtigen, der jedoch streng genommen nur für die ebene Platte bzw. leicht gekrümmte Flächen gilt: τw = s⋅hw⋅Pr⋅uδ/cPG (17)
Hierbei bezeichnen:

– s den Reynoldschen Analogiefaktor,
– u_δ die Geschwindigkeit am äußeren Rande der Grenzschicht, die über das Druckmeß-Verfahren bestimmt wird,
– h_w der Wärmeübergangsbeiwert nach der Gleichung (12), der aufgrund der Infrarot-Messung ermittelt wird.

Über die Anwendung des vorgeschlagenen, neuen Meßverfahrens ist es jetzt möglich, zusätzlich zum örtlichen Wärmefluß die örtliche Geschwindigkeit am Modell zu bestimmen und mit Hilfe einer erweiterten Reynoldsanalogie die Wandschubspannungen auch auf 3-dimensionalen Windkanalmodellen meßtechnisch zu ermitteln.
Voraussetzung für die indirekte Messung der Wandschubspannungen ist ein Wärmefluß vom Modell zum Fluid bzw. umgekehrt. Der Wärmefluß ist bei dieser Meßmethode der Indikator, über den die indirekte Messung der Wandschubsppnnungen erfolgt. Bei adiabaten Wandtemperaturen können die Wandschubspannungen nicht bestimmt werden, da dann kein Wärmefluß besteht.
Die Meßschicht S kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein. In Betracht kommt dabei Silikon oder Polyaethylen als Bestandteil.
Die Meßschicht S ist im visuellen Strahlungsbereich (0.4–0.75 μm) weitgehend durchsichtig und verfügt über Strahlungseigenschaften im Infrarot-Bereich (0,75 bis 14 μm), die den Strahlungseigenschaften der Druckmeßempflindlichen Schicht S ähnlich sind. Entscheidend ist, daß die Folie in einem IR-Wellenlängenbereich thermisch transparent ist und in einem IR-Wellenlängenbereich Wärme absorbiert. Diese Eigenschaft wird benutzt, um die Temperatur auf der Oberfläche der Folie (T_w) und auf der Fläche, die von der Folie bedeckt wird (T_s), radiometrisch zu messen. Dadurch kann das erfindungsgemäß mittels des Systems 2 vorgesehenen Infrarot-Meßverfahrens die von der Körperoberfläche ausgehende Infrarot-Strahlung gemessen und hieraus unter Berücksichtigung des Emissionsverhältnisses die Oberflächen-Temperatur bestimmt werden. Da der Körper in der Oberflächen-seitigen Teilzone spektral-selektiv, d.h. in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungs-absorbierend und in einem hiervon abgegrenzten, zweiten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungs-transparent, auf der Innenseite der Teilzone jedoch strahlungs-emittierend ausgebildet ist, kann die von der Außenfläche der Teilzone ausgehende Strahlungsenergie im ersten und im zweiten Wellenlängen-Bereich jeweils gemessen werden. Die Temperatur auf der Außenfläche der Teilzone wird nach Maßgabe des Energieanteils im ersten und die Temperatur an der Innenfläche der Teilzone wird nach Maßgabe des Energieanteils im zweiten Wellenlängenbereich bestimmt. Über die Kenntnis der beiden Temperaturmeßwerte und die Dicke der Oberflächen-bildenden Teilzone sowie die Materialeigenschaften – hier die Wärmeleitfähigkeit λ_M – kann der lokal bestehende Wärmefluß q_w oder dessen Verteilung berechnet werden.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird anstelle des Druckmeß-Systems 3 und des Infrarot-Meßsystems 2 lediglich eine Ein-Kanal-Infrarot-Kamera zusammen mit einer Druckmeß-empfindlichen Schicht S verwendet, die lokal mit einer maximal strahlenden IR-Farbe bedeckt ist. Aus der IR-Strahlung der nahezu ortsidentischen Grenzlage von transparenter Druckmeß-empfindlichen Schicht S und emittierender IR-Farbe, ergibt sich dann die Temperaturdifferenz, die den Wärmefluß bestimmt und die mittels der Prozessoreinheit ermittelt wird. Dabei können zumidest zwei verschiedene Filter an der Kamera verwendet werden, so daß jeweils in den Meßbereichen die Strahlen im visuellen Strahlungsbereich (0.4–0.75 μm), für die die Meßschicht S weitgehend durchsichtig ist, und die Strahlung im Infrarot-Bereich (0,75 bis 14 μm) mit dem ersten Filter zusammen mit den Strahlen der Druckmeß-empflindlichen Schicht S mit dem zweiten Filter erfaßt werden können.
Auf diese Weise ist es auch möglich, zusammen mit den Drücken aus der optischen Druckmessung, die vorgeschlagene Meßmethode mit weitgehend konventionellen Mitteln zu überprüfen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Wandschubspannung auf der Oberfläche (1) eines umströmten Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß Kombination von Infrarot-Thermografie-Verfahren (IRT)/über ein IR-System (2) der Wännefluß in die Oberfläche (1) des umströmten Körpers bestimmt wird; über ein PSP-System Verfahren der optischen Druckmeßtechnik (PSP) (3) simultan zur Bestimmung des Wärmeflußes die Oberflächendruckvertreilung auf der Oberfläche (1) des umströmten Körpers erfaßt wird; und daß über eine Prozessoreinheit (4) aus der simultan bestimmten Wärmefluß- und Oberflächendruckverteilung die Wandschubspannungsverteilung auf der Oberfläche (1) des umströmten Körpers bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Wandschubspannung auf der Oberfläche (1) eines umströmten Körpers, mit einem PSP-System (3) zur Bestimmung der Oberflächendruckverteilung auf der Oberfläche (1) des umströmten Körpers und einem IR-System (2) zur Bestimmung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche (1) des umströmten Körpers, dadurch gekennzeichnet,daß das IR-System (2) durch eine Filtervorrichtung (5) in wenigstens zwei bestimmten, unterschiedlichen spektralen Emissionsbereichen die Temperaturverteilung erfaßt, und daß durch eine Synchronisationseinheit (6) zur zeitlichen Steuerung der Datenerfassung das PSP-System (3) simultan mit dem IR-System (2) die momentane Verteilung der jeweiligen physikalischen Größen, Druck bzw. Temperatur, auf der Oberfläche (1) des umströmten Körpers erfassen.
Verfahren zur Bestimmung der aerodynamischen Wandschubspannung in einer Meßzone (1a) der Oberfläche eines von einem Strömungsmedium umströmten Körpers (K), auf der im Bereich der Meßzone (1a) eine Meßschicht (S) angeordnet ist, die in einem ersten IR-Wellenlängenbereich thermisch transparent ist und in einem zweiten IR-Wellenlängenbereich Wärme absorbiert, um mittels eines Infrarotkamera-Meßsystems (2) die Temperatur (T_w) auf der Oberfläche der Meßschicht (S) und die Temperatur (T_s) auf der Fläche (F1), die von der Meßschicht (S) bedeckt wird, radiometrisch zu messen, wobei die Meßschicht (S) außerdem druckempfindlich ist, mit den Schritten: – Bestimmung der Temperatur (T_w) auf der Oberfläche der Meßschicht (S) und der Temperatur (T_s) auf der Fläche (F1), die von der Meßschicht (S) bedeckt wird, – Bestimmung der Verteilung des Wärmeflusses q_w über die Meßzone (1a) auf der Basis der beiden Temperaturmeßwerte und der Dicke der Meßzone (1a) sowie der Wärmeleitfähigkeit λ_M der Meßschicht (S), – Bestimmung der Oberflächen-Druckverteilung und daraus Ermittlung der Geschwindigkeit des Strömungsmediums am Rande der Grenzschicht mittels eines Druckmeß-Kamerasystems (3) unter Ausnutzung der Druckempfindlichkeit der Meßschicht (S), – Bestimmung der aerodynamischen Wandschubspannungen in der Meßzone (1a) über ein Berechnungsverfahren auf der Basis der Reynoldschen Ähnlichkeitsanalogie.