DE2445398A1

DE2445398A1 - Verfahren zum aufzeichnen von stationaeren fluessigkeitsstroemungen an grenzflaechen

Info

Publication number: DE2445398A1
Application number: DE19742445398
Authority: DE
Inventors: Horst Guessefeld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-23
Filing date: 1974-09-23
Publication date: 1976-04-01
Also published as: SE7510592L; FR2285607A1; US3978734A; GB1493458A; NL7508505A; JPS5160544A; CH585399A5; FR2285607B1

Description

Verfahren zum Aufzeichnen von stationären Flüssigkeitsströmungen an Grenzflächen

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zum Aufzeichnen von stationären Flüssigkeitsströmungen an Grenzflächen.

Ein wichtiges Gebiet der Strömungstechnik befaßt sich mit den Vorgängen an umströmten Grenzflächen. So sind z.B. die Flugeigenschaften von Flugzeugen maßgeblich von den Umströmungsverhältnissen an den Tragflächen bestimmt. Von besonderem Interesse ist stets eine Wirbelbildung, da sie mit erhöhtem Energiebedarf, Geräuschentwicklung und größeren Anforderungen an die mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbunden iat. Das gilt allgemein für alle Strömungshindernisse und umströmten Grenzflächen, wie etwa Fahrzeuge, Schiffsschrauben, Generatoren, Gebläse oder Pumpen. Zur Beobachtung der Strömungen an derartigen Grenzflächen werden geeignete Verfahren benötigt.

Es sind Sonden entwickelt worden, die ein punktweises Ausmessen eines Strömungsfeldes gestatten. Das erfordert aber einen langwierigen und aufwendigen Meßvorgang und ist auf schnell bewegte- Flächen nicht anwendbar.

Mengt man der strömenden Flüssigkeit, wie im "Archiv für Technisches Messen" V, 144-3, Lieferung 329, Juni 1963 beschrieben, feste Teilchen, Farbflüssigkeiten oder Gasblasen bei, so ergeben deren Bewegungsbahnen ein vergängliches Bild der Volumenströmung, ohne daß die Strömung an den Grenzflächen selbst genauer untersucht werden kann.

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Im "Archiv für Technisches Messen" V, H4-2, Lieferung 328, Mai 1963 sind weitere, zur Sichtbarmachung von Gasströmen entwickelte Methoden beschrieben. Heftet man WoIl- oder Seidenfaden an die Grenzflächen, so erhält man ein grobes Bild der Strömungsverhältnisse. Man kann auch eine feine Teilchen enthaltende Flüssigkeit auf die Grenzflächen aufbringen, wobei beim Verdunsten der Flüssigkeit die Teilchen in Form von Stromlinien sich entlang der Grenzfläche anordnen. Da ferner eine angefeuchtete Oberfläche schneller trocknet, wenn sie von einem Gasstrom stärker umspült wird, kann man bei einem anderen Verfahren Trocknungsprofile aufnehmen, die das Strömungsprofil widerspiegeln. So kann beispielsweise auf die Grenzfläche eine weiße Kaolinschicht aufgebracht werden, die nach Befeuchten mit einer Flüssigkeit gleichen Brechungsindexes (z.B. Isosafrol) transparent wird. Einem Gasstrom ausgesetzt, sublimiert; die Flüssigkeit rasch in Bereichen turbulenter Strömung und die weiße Farbe erscheint wieder. Neben diesen physikalischen Methoden sind in der genannten Literatursteile chemische Verfahren beschrieben. Die Oberfläche wird z.B. mit einem Bleicarbonat enthaltenden .Anstrich bedeckt und einem Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstrom ausgesetzt; es erscheinen Stromlinien* Präpariert man die Oberfläche mit Stärkejodiü und umspült sie mit einem chlorhaltigen Gasstrom, so gibt die verschieden heftig einsetzende Jodstärke-Farbreaktion die StrömungsVerhältnisse wieder.

In der deutschen Auflegeschrift 2 133 865 ist ein chemisches Verfahren beschrieben, bei dsm auf die Grenzfläche eine Indikator-Schicht aufgebracht wird und der Gasstrom ein reaktionsfähiges Agens enthält, so daß die Gasströmung durch die Färbung der Oberfläche angezeigt wird.

Gemäß der deutschen Offenlegungeschrift 2 133 835 wird auf die Grenzfläche eine Schicht aus anodisch oxidiertem

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Aluminium, z.B. eine selbstklebende Eloxalfolie» aufgebracht und mit einem mit reaktiven Agenzien vermischten Luftstrom umströmt. Bei einer anschließenden Einfärbung der Aluminiumfolie nimmt die von den Agenzien entsprechend den Strömungsverhältnissen unterschiedlich angegriffene Oberfläche die Farbe unterschiedlich auf. Es entsteht eine kontrastreiche Farbzeichnung.

Aus der deutschen Auslegeschrift 2 133 834 ist ein photochemisches Verfahren bekannt, bei dem auf die Grenzflächen ein Photogelatine-Film aufgebracht und angefeuchtet wird und ein Gasstrom mit einer photographischen Entwickler-Substanz angereichert wird. Die Photogelatine-Schicht wird vom Entwickler entsprechend dem Feuchtigkeitsgrad der Schicht angegriffen und es entsteht auf der Schicht ein Troeknungsprofil, das anschließend nach bekannten Verfahren weiterbehandelt und sichtbar gemacht wird.

Bei allen diesen für Gasströmungen entwickelten Verfahren wird die Grenzfläche durch Aufbringen besonderer Schiohten vorpräpariert. Soweit es sich hierbei um vorgefertigte Schichten, wie Aluminiumfolien oder Pliotogelatirie-Pilme, handelt, ist man auf eine abwickelbare Grenzfläohangeometrie beschränkt. Ferner können die angegebenen Verfahren bei schnell rotierenden Geräteteilen nicht angewendet werden, da die auftretenden Zentrifugalkräfte sur Ablösung der aufgebrachten Schichten führen. Auch die Übertragung der für Gasströmungen entwickelten Verfahren auf JTltissigkeitsströmungen ist nicht ohne weiteres möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, stationäre Flüssigkeitsströmungen an Grenzflächen beliebiger Geometrie und beliebigen Bewegungszustandes als bleibendes Bild aufzuzeichnen.

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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Grenzflächen mit einer angreifbaren Lackschicht tiberzogen werden und in der Flüssigkeitsströmung eine die Leckschicht angreifende Substanz gelöst wird.

Die Substanz kann hierbei anlösend, zersetzend, bleichend oder auf andere Weise chemisch auf die Lackschicht einwirken.

Vorzugsweise wird ein Lack verwendet, der auf die Oberfläche aufgesprüht werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein bei unterschiedlicher Belichtung unterschiedlich anätzbarer Lack, sogenannter Photolack, verwendet, diese Schicht einer Vorbelichtung ausgesetzt und anschließend der mit einer diesen Lack angreifenden Substanz angereicherten Flüssigkeitsströmung ausgesetzt.

Photolacke sind hendelsüblich und finden in der Photolithographie, besonders bei der Herstellung gedruckter Schaltungen und integrierter Halbleiterschaltkreise, breite Anwendung. Diese Lacke bestehen z.B. aus Polymeren, deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Ätzmitteln von der Dauer und Intensität einer Vorbelichtung abhängen. Bs sind Positivlacke im Handel, die in unbelichtetem Zustand resistent und bei stärkerer Vorbelichtung leichter anätzbar sind, und legativlacke, die bei stärkerer Vorbelichtung re_t3istenter werden. Die Verwendung solcher Lacke ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deshalb besonders vorteilhaft, weil durch die Stärke der Belichtung und die Konzentration des Ätzmittels in dem Flüssigkeitsstrom die Anätzgeschwindigkeit variiert und der Versuchsdauer so angepaßt werden kann, daß die Lackschicht von kriechender laminarer Strömung während des Strömungsversuches kaum angegriffen wird, während schnellere Strömungen und Turbulenzen auf dem Lack Schleier und tiefere Ätzspuren hinterlassen.-

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Uach Beendigung des Strömungsversuches wird die Grenzfläche getrocknet und zeigt ein bleibendes Bild der Flüssigkeitsströmung.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und zweier Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 die dabei erhaltene Aufzeichnung der Flüssigkeitsströmung.

Bei einer mit einem Strömungshindernis 5 versehenen Platte sind die Grenzflächen, an denen die Flüssigkeitsströmung untersucht werden soll, mit einem photolithographischen Positivlack besprüht und einer Torbelichtung durch !Tageslicht ausgesetzt worden. Ein Wasserstrom, der ein den Photolack angreifendes Ätzmittel enthält, wird in dem in Fig. 1 gezeigten Versuchsaufbau mittels einer Pumpe 2 in einem geschlossenen Kreislauf J> durch einen Prüfkanal 4 getrieben, in welchen das Strömungshindernis 5 mit den lackierten und vorbelichteten Grenzflächen eingesetzt wird.

Als Photolack dient z.B. der Positivlack-Spray "Positiv 20" der Firma "Kontakt Chemie Eastatt", der von Alkalien, z.B. Ätznatron, angegriffen wird. Bei einer Konzentration von 3»5 g/l Ätznatron in Wasser genügt es, die aufgesprühte, etwa 0,1 mm dicke Lacks chi ent 30 Minuten dem im Labor vorhandenen Tageslicht auszusetzen, um nach einer Versuohsdauer von 20 Minuten infolge der Einwirkung des im Wasser gelösten Ätznatrons deutliche Ätzspuren auf der Lackschicht zu erhalten. Vermeidet man eine direkte Bestrahlung mit Sonnenlicht, so ist eine weitere Abdunkelung des Labors nicht nötigj in dem aus lichtdurchlässigem Material gefertigten Prüfkanal 4 ist die Lackschicht während des Versuchs

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weiterem Tageslicht ausgesetzt.

Als Strömungshindernis 5 wird beispielsweise ein von vorn angeströmtes Modell eines Flugzeug-Tragflügels benutzt, wobei zur Demonstration nicht die an der Oberfläche des Flügelmodells selbst entstehende Grenzflächenströmung untersucht wird, sondern ein Bild der durch Pfeile 6 dargestellten Umströmung in einer parallel zur Strömungsrichtung und senkrecht zum Tragflügelmodell verlaufenden Ebene aufgezeichnet werden soll. Hierzu ist das Tragflügelmodell 5 auf die aus Acrylglas gefertigte Platte 1 aufgesetzt, deren dem Modell zugewandte Seite als die interessierende Grenzfläche mit Lack besprüht ist. Pig. 2 gibt das Bild wieder, das auf einem Kontaktabzug der auf der Acrylglasplatte befindlichen Lackschicht erscheint. Die hell erscheinenden Itzspuren 7 der das Tragflügelmodell 5 umströmenden flüssigkeit sind durch Schraffierung wiedergegeben. Man erkennt insbesondere das aus der Aerodynamik bekannte "Wirbelband" hinter einem Tragflügel.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren benutzt, um einen Längsschnitt durch die Volumenströmung um ein Hindernis aufzuzeichnen.

Ferner kann das Verfahren vorteilhaft verwendet werden, um die Wirbelbildung und die Strömungsverhältaisse in engen Kanälen mit gekrümmten Begrenzungswänden sichtbar au machen. Hierbei kann die Lackschicht in einfacher Weise auf die Kanalwände aufgebracht werden, indem man zuerst die Kanäle mit flüssigem Lack beschickt oder das die Kanäle enthaltende Prüfstück in flüssigen Lack eintaucht und anschließend den überflüssigen Lack abtropfen läßt.

Man kann das Verfahren auch besonders vorteilhaft dazu verwenden, um bei umströmten Hindernissen die an der Ober-

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fläche des Hindernisses selbst auftretenden Strömungsverhältnisse aufzuzeichnen. So ist es beispielsweise bei schnell rotierenden gekrümmten Schaufelrädern wichtig, sich gegebenenfalls an den Schaufeloberflächen bildende Wirbel zu beobachten, um beispielsweise durch Änderung der Form der Schaufelräder eine Wirbelbildung vermeiden zu können. Die Lackschicht wird in diesem Tall direkt auf die Schaufelräder aufgebracht.

Da die Lackschicht aufgesprüht werden kann und gut auf der Unterlage haftet, ist das Verfahren auch bei schnell bewegten Grenzflächen und bei verwickelten Geometrien anwendbar.

3 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

ι 1J Verfahren z,um Aufzeichnen von stationären ITüssigkeitsströmungen an Grenzflachen, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzflächen mit einer angreifbaren Lackschicht überzogen werden und in der Flüssigkeitsströmung eine die Lackschicht angreifende Substanz gelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack auf die Grenzflächen aufgesprüht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lackschicht aus¹ einem bei unterschiedlicher Belichtung unterschiedlich anätzbaren Lack hergestellt, diese Lackschicht belichtet und in der Fltissi.gVeit eine dia Laclcsohicht anätssende Substanz gelöst 'wird...

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