DE19702849C2 - Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung über eine Ebene - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung über eine Ebene. Die Strömung kann von einem flüssigen oder insbesondere von einem gasförmigen Fluid ausgebildet werden. Unter dem Massenstrom der Strömung ist der Massendurchsatz des Fluids je Flächeneinheit durch die jeweilige Ebene zu verstehen.

Bekannte Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung über eine Ebene machen von Sonden Gebrauch, die in die Strömung eingebracht werden und dort den Massenstrom punktuell erfassen. Zum Erfassen der Massenstromverteilung über die gesamte Ebene müssen dann alle Punkte in der Ebene mit den Sonden angefahren werden. Hierdurch ist es nicht möglich, nur kurzzeitig vorliegende Massenstromverteilungen über die gesamte Ebene oder auch nur über Teilbereiche der Ebene zu erfassen. Darüberhinaus führt das Einbringen der Sonde in die Strömung zwangsläufig zu einer unerwünschten Veränderung der Strömung.

Aus O. Fiedler: "Strömungs- und Durchflußmeßtechnik", R. Olden­ bourg Verlag München Wien, 1992, S. 286-292 ist eine Vorrichtung zum Sichtbarmachen der Luftumströmung von Modellen mit Laser- Lichtblatt-Technik und Rauchmarkierung bekannt. Es wird an einer Stelle der Strömung ein den gesamten Querschnitt der Strömung erfassender Lichtschnitt mit geringer Dicke ausgebildet. Eine Kamera ist stromab der Ebene angeordnet. Die Vorrichtung wird zur Darstellung von Wirbelquerschnitten, zur Bestimmung des Ortes eines Wirbelkerns und zur Untersuchung der Ablösungs­ verhältnisse verwendet.

Aus der US 5,396,333 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrachten und Analysieren einer Strömung bekannt. Es wird an einer Stelle der Strömung ein den gesamten Querschnitt der Strömung erfassender Lichtschnitt mit geringer Dicke parallel zu und um eine Ebene herum ausgebildet. Die Strömung kann mittels einer stromauf der Ebene angeordneten Beobachtungseinheit betrachtet werden. Dreidimensionale Darstellungen der Strömung werden erstellt und zum Einstellen des Strömungsprofils verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung über einer Ebene aufzuzeigen, mit dem die Massenstromverteilung für alle Punkte der jeweiligen Ebene gleichzeitig und ohne Störung der Strömung erfaßbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht aus von einer Strömung eines Fluids, das lichtstreuende Teilchen mit sich führt. Zwischen dem Fluid und den einzelnen Teilchen muß in einem Lichtschnitt ein ausreichen­ der optischer Kontrast gegeben sein, um die Teilchen in dem Lichtschnitt zu individualisieren. Vorzugsweise ist das Fluid klar. Gute Randbedingungen sind beispielsweise automatisch bei leicht mit Staub versetzter Luft gegeben. Bei der Untersuchung von Strömungen werden lichtstreuende Teilchen zudem häufig künstlich zugesetzt, um die Geschwindigkeit der jeweiligen Strömung nach Verfahren der sogenannten Particle-Image-Veloci­ metry (PIV) zu bestimmen. Das neue Verfahren setzt nur voraus, daß von dem strömenden Fluid ausreichend kontraststarke licht­ streuende Teilchen mitgeführt werden. Deren Herkunft spielt hingegen keine Rolle. Die mit dem Fluid mitgeführten Teilchen stehen bei dem neuen Verfahren für den Massenstrom des Fluids selbst. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Teilchen dem Fluid reibungslos folgen und daß die Konzentration der Teilchen in dem Fluid definiert ist und ihre Anzahl konstant bleibt, d. h. keine Teilchen verschwinden oder hinzukommen. Dies setzt noch keine homogene Konzentration der Teilchen in dem Fluid voraus. Eine quantitative Beziehung zwischen der bei dem neuen Verfahren bestimmten Verteilung der Abbilder der Teilchen in dem Bild zu dem zu erfassenden Massenstrom ist jedoch nur bei genau bekannter Konzentration der Teilchen in dem Fluid gegeben. Ist dies der Fall, so ist die lokale Dichte der Abbilder der Teil­ chen in dem Bild dem lokalen Massenstrom in der Ebene direkt proportional.

Aber auch bei unbekannten und nicht homogenen Konzentrationen der Teilchen in dem Fluid kann aus den bei dem neuen Verfahren aufgezeichneten Bildern eine sinnvolle Aussage gewonnen werden. So kann die Verteilung der Abbilder der Teilchen in einem Bild mit einer zuvor aufgezeichneten Verteilung qualitativ verglichen werden. Wenn sich hierbei deutliche Verschiebungen der lokalen Dichtemaxima der Abbilder der Teilchen ergeben, hat sich die Strömung zwischen der Aufnahme der beiden Bilder verändert. In einer konkreten Anwendung kann auf diese Weise überprüft werden, ob in einem durchströmten Rohr oder einem durchströmten Gang ein Hindernis aufgetreten ist.

Die Verteilung der Teilchen wird quantitativ mit einer bestimm­ ten Dichte der Abbilder verglichen, die einem bestimmten Massen­ strom entspricht. Hierfür muß nicht die absolute Konzentration der Teilchen in dem Fluid bekannt sein. Vielmehr kann im Sinne einer Eichung durch Messungen mit einer Massenstrom-Sonde eine bestimmte Dichte der Abbilder der Teilchen einem bestimmten Massenstrom zugeordnet werden. Hieraus wird dann der Massenstrom an anderen Punkten der Ebene auf einfachstem Weg berechnet.

Die bestimmte Dichte der Abbilder der Teilchen wird aus einem Bild der Teilchen ermittelt, das den gesamten Querschnitt der Strömung erfaßt. Aus einem bekannten Gesamtdurchsatz der Strömung und den Abmessungen des Querschnitts ist auf der einen Seite der mittlere Massenstrom berechenbar, während auf der anderen Seite die mittlere Dichte der Abbilder der Teilchen genau diesem mittleren Massenstrom entspricht. Höhere Dichten entsprechen größeren Massenströmen, geringere Dichten kleineren Massenströmen.

Für die Ermittlung der bestimmten Dichte ist eine Kontrollebene vorgesehen, in der der gesamte Querschnitt der Strömung beson­ ders leicht erfaßbar ist. In der interessierenden Ebene ist es dann nicht notwendig, den gesamten Querschnitt der Strömung zu erfassen, was unter vielen Versuchsbedingungen mit einem einzigen Lichtschnitt auch überhaupt nicht möglich wäre.

Die Kontrollebene ist stromauf der interessierenden Ebene angeordnet. So können auch Verzweigungen der Strömung zwischen der Kontrollebene und der interessierenden Ebene auftreten, ohne daß dies die Auswertbarkeit der Erfassung der durch den Licht­ schnitt um die interessierende Ebene hindurchtretenden Teilchen negativ beeinflußt.

Verfälscht werden können die Ergebnisse des neuen Verfahrens durch Rückströmungen, die in dem Bereich des Lichtschnitts auftreten. Hierdurch wird die absolut durch den Lichtschnitt hindurchtretende Anzahl von Teilchen erhöht. Diese Erhöhung entspricht aber keinem größeren Massenstrom, da zwei in entgegengesetzten Richtungen durch den Lichtschnitt hindurch­ tretende Teilchen den Massenstrom effektiv nicht erhöhen. Wenn mit Rückströmungen gerechnet werden muß, kann es daher sinnvoll sein, die Massenstromverteilung in zwei bezüglich der Strömung hintereinanderliegenden Ebenen nach dem neuen Verfahren zu erfassen. Bereiche starker Rückströmung fallen dann im Vergleich zu der zweiten Ebene durch scheinbar übermäßig große Massen­ ströme beziehungsweise übermäßig große Dichten von Abbildungen der Teilchen in dem jeweiligen Lichtschnitt auf.

Neben dem einfach belichteten Bild der Teilchen in dem Licht­ schnitt kann auch ein doppelt belichtetes Bild der Teilchen in dem Lichtschnitt aufgezeichnet werden, um die Strömungsgeschwin­ digkeiten in der Ebene nach einem PIV-Verfahren zu bestimmen. Derartige PIV-Verfahren sind bekannt.

In Verbindung mit der Erfindung kann auch eine abgewandelte Form des PIV-Verfahrens zur Anwendung gebracht werden, bei der die Teilchen nacheinander in zwei parallel zueinander angeordneten und sich nur teilweise überdeckenden Lichtschnitten belichtet werden. Auf diese Weise ist auch eine Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zu der Ebene der einzelnen Lichtschnitte ermittelbar.

Die Teilchen können, wie bereits erwähnt wurde, natürlich in der Strömung vorkommende Teilchen sein. Sie können der Strömung aber auch künstlich zugesetzt werden. Dann ist es besonders interes­ sant, die Teilchen der Strömung in einer bestimmten Konzentra­ tion zuzusetzen. Mit dieser Konzentration kann eine bestimmte Dichte der abgebildeten Teilchen in einen bestimmten Massenstrom umgerechnet werden. Dies soll anhand eines Rechenbeispiels nachfolgend verdeutlicht werden.

Die Anzahl N der abgebildeten Teilchen ergibt sich genau aus folgender Gleichung (I):

N = (A . d + A . v . t) . K . r,

dabei ist A die erfaßte Fläche des Lichtschnitts, das heißt die Fläche der Ebene, über die der hindurchtretende Massenstrom erfaßt werden soll, d die Dicke des Lichtschnitts, v die Geschwindigkeit der Teilchen, t die Belichtungsdauer der Aufzeichnung, K die Konzentration der Teilchen pro Kilogramm Fluid und r die Dichte des Fluids. Unter der Annahme, daß der Summand A . d viel kleiner als der Summand v . t . A ist, vereinfacht sich die obige Gleichung zur Gleichung (II):

N = v . t . A . K . r.

Der Massenstrom r . v in der Einheit Kilogramm pro Quadratmeter und Sekunde ergibt sich danach aus Gleichung (III) zu:

r . v = N/A . 1/(t . K).

N/A ist die Dichte der abgebildeten Teilchen bezogen auf die Fläche der betrachteten Ebene. Ein Vergrößerungs- oder Ver­ kleinerungsfaktor f, der die Vergrößerung beziehungsweise Verkleinerung bei der Abbildung der Fläche berücksichtigt, läßt statt der Fläche A auch die Fläche a in dem Bild der Teilchen verwenden. Danach gilt Gleichung (IV):

r . v = N/a . f/(t . K).

Hiervon ist N/a leicht aus dem Bild der Teilchen zu bestimmen. Bei f/(t . K) handelt es sich um eine aus bekannten Größen ermittelbare Konstante unter deren Verwendung sich der Masse­ nstrom r . v problemlos berechnen läßt. Aus dem Massenstrom ergibt sich bei bekannter Geschwindigkeit v die Dichte, beziehungsweise bei konstanter Temperatur der Druck des Fluids und bei bekannter Dichte die Geschwindigkeit des Fluids.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert und beschrieben. Dabei skizziert

Fig. 1 eine Ausführungsform des Verfahrens, und

Fig. 2 drei verschiedene, bei dem Verfahren gewonnene Bilder zur Bestimmung von Massenströmen in stark schemati­ sierter Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Rohr 1 wiedergegeben, in dem in Richtung eines Pfeils 2 ein Fluid 3 strömt, das ein Gas sein möge. Das Fluid 3 führt Teilchen 4 mit, die im Bereich eines Fensters 15 in dem Rohrs 1 durch einen Lichtschnitt 5 hindurchtreten und dabei beleuchtet werden. Der Lichtschnitt 5 wird von einer Lichtquelle 6 ausgeleuchtet, bei der es sich vorzugsweise um einen Laser handelt und der eine als Zylinderlinse 14 ange­ deutete Optik nachgeschaltet ist. Der Lichtschnitt 5 erstreckt sich über den gesamten Querschnitt der Strömung, er weist aber nur eine vernachlässigbare Dicke 7 um eine geometrische Ebene 8 herum auf. Die durch den Lichtschnitt 5 hindurchtretenden Teilchen 4 werden von einer Abbildungsoptik 9 auf einen Bild­ sensor 10 abgebildet. Hierbei kann es sich um einen CCD-Sensor handeln. Mit dem Bildsensor 10 wird für eine Zeit t ein Bild von durch den Lichtschnitt hindurchtretenden Teilchen 4 aufge­ zeichnet. Die Belichtungszeit t kann durch die Ansteuerung des Bildsensors 10 oder durch die Lichtquelle 6 festgelegt werden, insbesondere wenn die Lichtquelle 6 ein Pulslaser ist. Das Bild des Bildsensors 10 wird von einem Framegrabber 11 digitalisiert und einer digitalen Auswerteeinheit 12 zugeführt. Die Auswerte­ einheit 12 bestimmt aus den lokalen Dichten der Abbilder der Teilchen in dem Bild den lokalen Massenstrom durch die Ebene 5.

Es werden aber nicht nur die am Ende des Rohrs 1 durch den Lichtschnitt 5 hindurchtretenden Teilchen 4 abgebildet. Vielmehr ist eine zweite Lichtquelle 6' zur Ausleuchtung eines zweiten Lichtschnitts 5' um eine Kontrollebene 8' vor den Eingang des Rohrs 1 vorgesehen. Hiermit wird die Strömung, die in Richtung des Pfeils 2' in das Rohr 1 eintritt über ihren gesamten Quer­ schnitt von der Abbildungsoptik 9' und dem Bildsensor 10' erfaßt. Dem gegenüber erfaßt die Abbildungsoptik 9 zusammen mit dem Bildsensor 10 nur einen Teilbereich der aus dem Ende des Rohrs 1 austretenden Strömung. Die aus der Kontrollebene 8' gewonnenen Informationen lassen trotzdem die quantitative Aussage zu, welcher Anteil des in das Rohr 1 eintretenden Massenstroms durch den von der Abbildungsoptik 9 erfaßten Bereich der Ebene 8 hindurchtritt. Dies ist insbesondere deshalb interessant, weil der Lichtschnitt 5 durch einen in der Strömung angeordneten umströmten Körper 14 gehindert ist, die Strömung über ihren gesamten Querschnitt zu erfassen.

Auch ohne Kenntnis dieser Werte ist aber eine qualitative Auswertung der Bilder der durch den Lichtschnitt 5 hindurch­ tretenden Teilchen 4 in sinnvoller Weise möglich. Fig. 2a zeigt beispielsweise ein Bild, wie es am Ausgang eines laminar durch­ strömten, rechteckigen Rohrs 1 bei der Durchführung des Verfah­ rens gemäß Fig. 1 aufgezeichnet wird. Die Abbilder der Teilchen 4 konzentrieren sich auf die freie Mitte des Rohrs, in der das Fluid 3 nicht durch Reibungen mit der Wandlung des Rohrs 1 abgebremst wird. In Fig. 2b ist dem gegenüber der Fall einer stark turbulenten Durchströmung desselben Rohrs 1 dargestellt. Hier ist die Konzentration der Abbilder der Teilchen 4 nahezu homogen, da durch die Verwirbelung des Fluids 3 keine die Verteilung des Massenstroms über den Querschnitt des Rohrs 1 vergleichmäßigt ist. Fig. 2c zeigt wiederum einen Fall der laminaren Durchströmung des Rohrs 1. Hier konzentrieren sich die Abbilder der Teilchen 4 auf die obere Hälfte, weil sich in der unteren Hälfte des Rohrs 1 ein Hindernis befindet, das von dem Fluid 3 nicht durchströmt werden kann. Ein solches Hindernis ist anhand der Massenstromverteilung über den Querschnitt des Rohrs 1 feststellbar, auch wenn dieses Hindernis vom freien Ende des Rohrs 1 direkt nicht sichtbar ist. Allerdings tritt die in Fig. 2c dargestellte Dichteverteilung der Abbilder der Teilchen 4 nur bei einem kurz vor dem freien Ende des Rohrs 1 vorliegenden Hindernis im unteren Bereich des Rohrs auf. Weiter hinter dem Hindernis wäre aber immer noch eine Verringerung der absoluten Teilchenanzahl festzustellen, falls das Hindernis einen Teil der Teilchen zurückhält.

Die Abbildung der durch den Lichtschnitt 5 hindurchtretenden Teilchen 4 muß nicht senkrecht zu der Ebene 8 erfolgen. Bei einer Abbildung unter einem Winkel ist jedoch insbesondere bei einer quantitativen Auswertung nach dem Massenstrom die sich hieraus ergebende Verzeichnung zu berücksichtigen.

Die für das neue Verfahren notwendigen Vorrichtungen ermöglichen auch die Durchführung bekannter PIV-Verfahren zur Bestimmung der Teilchengeschwindigkeiten in dem jeweiligen Lichtschnitt 5. Ein herkömmliches PIV-Verfahren erfaßt jedoch nur die Geschwindig­ keitskomponenten der Teilchen in der Ebene des jeweiligen Lichtschnitts. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Lichtschnitt senkrecht zu der Hauptbewegungsrichtung der Strömung in Richtung der Pfeile 2 angeordnet. Das neue Verfahren ist aber auch bei einem unter einem Winkel zu der Strömung ver­ laufenden Lichtschnitt durchführbar. Eine quantitative Auswer­ tung bleibt so lange möglich, wie die effektive Dicke des Licht­ schnitts für die hindurchtretenden Teilchen deutlich kleiner bleibt, als der während der Belichtungsdauer t des jeweiligen Bilds von den einzelnen Teilchen zurückgelegte Weg. Für ein PIV- Verfahren sind dies allerdings relativ ungünstige Randbedin­ gungen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

- Rohr

2

- Pfeil

3

- Fluid

4

- Teilchen

5

- Lichtschnitt

6

- Lichtquelle

7

- Dicke

8

- Ebene

9

- Abbildungsoptik

10

- Bildsensor

11

- Framegrabber

12

- Auswerteeinrichtung

13

- Aerosolgenerator

14

- Körper

15

- Zylinderlinse

Claims (3)

1. Verfahren zum Erfassen der Massenstromverteilung einer Strömung über eine Ebene (8), mit den folgenden Schritten:
Ausbilden eines den gesamten Querschnitt der Strömung erfassenden Lichtschnitts (5) mit geringer Dicke (7) parallel zu und um eine Kontrollebene (8') herum, die stromauf der Ebene (8) angeordnet ist;
Aufzeichnen eines Bildes senkrecht zu der Kontrollebene (8') von mit der Strömung über deren gesamten Querschnitt mitgeführten und durch den Lichtschnitt (5') hindurchtretenden Teilchen (4) während eines definierten Zeitintervalls t;
Ermitteln einer bestimmten Dichte der Abbilder der Teil­ chen, die einem bestimmten Massenstrom entspricht, aus dem zu der Kontrollebene (8') aufgezeichneten Bild;
Ausbilden eines einen Teilbereich der Strömung erfassenden Lichtschnitts (5) mit geringer Dicke (7) parallel zu und um die Ebene (8) herum;
Aufzeichnen eines Bildes senkrecht zu der Ebene (8) von mit in dem Teilbereich der Strömung mitgeführten und durch den Lichtschnitt (5) hindurchtretenden Teilchen (4) während eines definierten Zeitintervalls t
Ermitteln einer lokalen Dichte der Abbilder der Teilchen (4) in dem zu der Ebene (8) aufgezeichneten Bild; und
Vergleichen der lokalen Dichte der Abbilder der Teilchen (4) in dem zu der Ebene (8) aufgezeichneten Bild mit der bestimmten Dichte der Abbilder der Teilchen (4), die dem bestimmten Massenstrom entspricht, um den lokalen Massenstrom durch die Ebene (8) quantativ zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem einfach belichteten Bild der Teilchen (4) in dem Lichtschnitt (5) ein doppelt belichtetes Bild der Teilchen in dem Lichtschnitt aufgezeichnet wird, um die Strömungsge­ schwindigkeiten in der Ebene nach einem PIV-Verfahren zu bestimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (4) der Strömung in einer bestimmten Konzen­ tration zugesetzt werden.