EP1514086A2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der aerodynamischen wandschubspannungen an der oberfläche eines umströmten körpers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der aerodynamischen wandschubspannungen an der oberfläche eines umströmten körpers

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Publication number
EP1514086A2
EP1514086A2 EP03732239A EP03732239A EP1514086A2 EP 1514086 A2 EP1514086 A2 EP 1514086A2 EP 03732239 A EP03732239 A EP 03732239A EP 03732239 A EP03732239 A EP 03732239A EP 1514086 A2 EP1514086 A2 EP 1514086A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
determining
measuring
distribution
wall shear
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03732239A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Schulze
Ole Trinks
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP1514086A2 publication Critical patent/EP1514086A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the aerodynamic wall shear stresses on the surface of a flowed body.
  • an infrared measuring method for non-contact, non-reactive temperature determination on a surface-side subzone of a body through which heat is flowed by means of heat conduction is known, in which the infrared radiation emanating from the body surface is measured and from this taking into account the emission ratio Surface temperature is determined.
  • the body is spectrally selective in the surface zone, i.e. radiation-absorbing in a first infrared wavelength range and radiation-transparent in a second infrared wavelength range that is delimited therefrom, but radiation-emitting on the inside of the partial zone.
  • Radiation energy in the first and in the second wavelength range is measured separately.
  • the temperature on the outer surface of the sub-zone is determined according to in accordance with the proportion of energy in the first and the temperature on the inner surface of the partial zone is determined in accordance with the proportion of energy in the second wavelength range.
  • the local heat flow density is determined via the thickness of the surface-forming subzone.
  • DE 41 34313 C2 discloses an infrared measuring method for contactless, non-reactive temperature determination on a surface-side subzone of a body through which heat flows through heat conduction.
  • the infrared radiation emanating from the body surface is measured and the surface temperature is determined from this, taking into account the emission ratio.
  • the heat-flowed body is spectrally selective in the surface-side subzone in a first infrared wavelength range and is radiation-transparent in a second infrared wavelength range separated therefrom, but is radiation-emitting on the inside of the subzone.
  • the radiation energy emanating from the outer surface of the partial zone is measured separately in the first and in the second wavelength range and the temperature on the outer surface of the partial zone is determined in accordance with the energy component in the first and the temperature on the inner surface of the partial zone in accordance with the energy component in the second wavelength range.
  • a pressure-sensitive coating is known from WO 96/41142 A1, which is applied to a surface on which a pressure distribution is to be measured.
  • a measuring device for determining the surface friction on a body that is exposed to a flow is known from US Pat. No. 5,963,310. With this measuring device, two-dimensional wall shear stress vectors can be determined based on a three-dimensional flow.
  • DE 35 14 801 C2 discloses a method for determining the wall shear stress on models and other flow-around bodies.
  • a viscous, transparent liquid is applied in a layer to the surface of the body at the measuring point and the change in thickness and / or surface inclination of the layer which occurs as a result of the flow conditions is detected with a light beam.
  • the light beam is directed from the inside of the flow-around body in the direction of the surface of the body and into the layer of viscous liquid, and the reflected light beam is caught inside the flow-around body and then further processed with regard to interference phenomena or impact point.
  • the wall shear stress measurements for various measuring points and measurement series are carried out continuously and across the board.
  • infrared thermography IRT
  • PSP optical pressure measurement technology
  • IRT infrared thermography
  • PSP optical pressure measurement
  • IR temperature information
  • PSP optical pressure measurement
  • IR and PSP both measurement techniques
  • the wall shear stress is determined indirectly via a heat flow from the model to the fluid and vice versa.
  • inventive measurement method it is possible to determine the local speed on the model in addition to the local heat flow and to determine the wall shear stress using three-dimensional wind tunnel models using an extended Reynold analogy.
  • Figure 1 is a functional representation of the inventive device
  • FIG. 2 shows a section through a region of the body near the surface with a measuring layer.
  • physical state variables in particular the wall shear stress and the heat flow or the temperature distribution on a surface 1 or a zone 1 a of a body K around which flows, are determined.
  • the body K is provided in the area of the measuring zone 1 a with a measuring layer S arranged on the surface 1, which the application according to the invention of both the intended pressure measuring method and the infrared Thermography process allowed.
  • a uy coordinate system (FIG. 2), in which the coordinate y is transverse to the direction of flow and is perpendicular to the surface 1 and shows u in the direction of flow, there are two reference surfaces F1, F2 spaced apart from one another in the y direction.
  • the first reference surface F1 is identical to the surface of the body itself, while the second reference surface F2 forms the surface of the measuring layer S, in each case in the region of the measuring zone 1a.
  • the first reference surface F1 can also be referred to as the substrate surface and the second reference surface F2 as the wall surface.
  • an infrared measuring system 2 is used to measure the heat flow into the surface 1 of the body, i.e. to be determined by the measuring layer at a local point in a zone 1a or the distribution of the heat flow over the surface 1 or F1 or F2.
  • the distribution of the heat flow over the surface 1 in zone 1 a is determined by determining the temperature distribution over the first surface or wall surface F1 and the second reference surface or measuring layer surface F2.
  • the heat flow distribution or temperature distributions and surface pressure distribution can take place in one measurement process with the same measurement configuration. The measurement and determination of the values of the heat flow distribution or
  • Temperature distributions and the surface pressure distribution can be carried out by means of a processor unit 4 and a synchronization unit 6 at the same time, i.e. simultaneously, or quasi-simultaneously or in directly or almost successive iteration steps, the time period for the determination of these values in one must lie within a time frame in which a predetermined accuracy of the determined values is ensured.
  • the heat flow is determined by means of an infrared measuring system 2.
  • the surface pressure distribution on the surface 1 of the body being flowed around is detected by means of a PSP system 3 or a pressure measuring system.
  • a processor unit 4 Via a processor unit 4 from the simultaneously determined heat flow or temperature Distribution and surface pressure distribution, the wall shear stress distribution on surface 1 of the flowed body is determined.
  • FIG. 1 for determining aerodynamic wall shear stress distribution by determining the heat flow distribution or temperature distribution and surface pressure distribution on the surface 1 of a body with a flow shows the pressure measuring system 3 for determining the surface pressure distribution on the surface 1 of the flowed body and the infrared measuring system (IR system) 2 for determining the heat flow distribution or temperature distribution on the surface 1 of the flowed body.
  • the IR system 2 has a filter device 5 with which the temperature distribution in at least two predetermined, different spectral emission ranges can be detected.
  • FIG. 1 shows the synchronization unit 6 for the temporal control of the data acquisition, to determine the instantaneous distribution of the physical variables to be determined, pressure or temperature, in a predetermined time interval.
  • the measuring method according to the invention for determining wall shear stresses is a simultaneous, multispectral measuring method which works in the visible and infrared wavelength range.
  • the local heat flow on the surface of the flow-around model is used with the aid of a two-channel infrared camera system which is adapted to the absorptive and the transmissive area of layer S, which forms a pressure-sensitive coating. This enables the temperature distributions on and under the layer to be measured and the heat flow to be determined taking into account the layer thickness and thermal conductivity of the material.
  • the local wall shear stress is then determined from the heat flow or the heat transfer coefficient and the local pressure coefficient or the local velocity using the Reynolds analogy.
  • the measuring layer S is suitable both for the application of the pressure measuring method and for the application of the IR measuring method for determining the temperature distributions on the surfaces F1, F2 or the corresponding heat flow distribution.
  • the local heat flows in the surface layer are detected by infrared thermography and the corresponding surface pressures by means of the spectroscopic pressure measurement technique using a camera-supported method in the same measurement process (ie with the same measurement arrangement).
  • the two measurement parameters are linked via the so-called Reynold analogy to the aerodynamic wall shear stress.
  • the measurement parameters are used to calculate the aerodynamic wall shear stresses by means of the processor unit 4
  • Substrate temperature T s ie the temperature at the first reference surface
  • the symbol c PG designates the specific heat capacity of the gas used as the flow medium.
  • T w is the temperature at the surface 1 or the second reference surface F2.
  • the speed at the boundary layer edge is determined from the optical pressure measurement on the model surface and the inflow conditions with an isentropic change of state. Because of dp
  • U g is the speed at the outer edge of the boundary layer, which over the
  • h w is the heat transfer coefficient according to equation (12), which is due to the
  • Infrared measurement is determined.
  • the proposed new measuring method it is now possible to determine the local speed on the model in addition to the local heat flow and to determine the wall shear stresses using 3-dimensional wind tunnel models using an extended Reynold analogy.
  • a prerequisite for the indirect measurement of the wall shear stress is a heat flow from the model to the fluid or vice versa.
  • the heat flow is the indicator via which the wall shear stresses are measured indirectly.
  • the wall shear stresses cannot be determined because there is no heat flow.
  • the measuring layer S can be formed from different materials. Silicon or polyethylene can be considered as a component.
  • the measuring layer S is largely transparent in the visual radiation range (0.4 - 0.75 ⁇ m) and has radiation properties in the infrared range (0.75 to 14 ⁇ m) that are similar to the radiation properties of the pressure-sensitive layer S. It is crucial that the film is thermally transparent in an IR wavelength range and absorbs heat in an IR wavelength range. This property is used to radiometrically measure the temperature on the surface of the film (T w ) and on the area covered by the film (T s ). As a result, the infrared measuring method provided according to the invention by means of the system 2 can measure the infrared radiation emanating from the body surface and the surface temperature can be determined from this taking into account the emission ratio.
  • the body is spectrally selective in the surface-side sub-zone, ie radiation-absorbing in a first infrared wavelength range and radiation-transparent in a second infrared wavelength range that is delimited therefrom, but radiation-emitting on the inside of the sub-zone that of the outer surface of the Radiation energy emanating from the sub-zone can be measured in the first and in the second wavelength range.
  • the temperature on the outer surface of the partial zone is determined in accordance with the energy component in the first and the temperature on the inner surface of the partial zone is determined in accordance with the energy component in the second wavelength range. Knowing the two
  • Temperature measurements and the thickness of the surface-forming sub-zone as well as the material properties - here the thermal conductivity ⁇ - can be used to calculate the locally existing heat flow q w or its distribution.
  • a one-channel infrared camera is used together with a pressure measurement-sensitive layer S, which is locally covered with a maximum radiant IR color.
  • the temperature difference which determines the heat flow and which is determined by means of the processor unit then results from the IR radiation of the almost location-identical limit position of transparent pressure-sensitive layer S and emitting IR color.
  • At least two different filters can be used on the camera, so that the rays in the visual radiation range (0.4 - 0.75 ⁇ m), for which the measuring layer S is largely transparent, and the radiation in the infrared range (0.75 up to 14 ⁇ m) can be detected with the first filter together with the rays of the pressure-sensitive layer S with the second filter.

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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 (TW) auf der Oberfläche der Meßschicht (S) und die Temperatur (Ts) auf der Fläche (F1), die von der Meßschicht (S) bedeckt wird, radiometrisch zu messen, wobei die Meßschicht (S) außerdem druckempfindlich ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der aerodynamischen Wandschubspannungen an der Oberfläche eines umströmten Körpers
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 oberflächenseitigen Teilzone spektral-selektiv, d.h. in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungs-absorbierend und in einem hiervon abgegrenzten, zweiten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungstransparent, 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 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.
Aus der DE 41 34313 C2 ist ein Infrarot-Messverfahren zur berührungslosen, rückwirkungsfreien Temperaturermittlung an einer oberflächenseitigen Teilzone eines mittels Wärmeleitung wärmedurchströmten Körpers bekannt. Dabei wird die von der Körperoberfläche ausgehende Infrarotstrahlung gemessen und hieraus unter Berücksichtigung des Emissionsverhältnisses die Oberflächentemperatur bestimmt. Der wärmedurchströmte Körper ist in der oberflächenseitigen Teilzone spektral-selektiv in einem ersten Infrarot-Wellenlängenbereich strahlungsabsorbierend und an einem hiervon abgetrennten zweiten Infrarot- Wellenlängenbereich strahlungstransparent, auf der Innenseite der Teilzone jedoch strahlungsemittierend ausgebildet. Die von der Außenfläche der Teilzone ausgehende Strahlungsenergie wird im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich jeweils getrennt gemessen und die Temperatur auf der Außenfläche der Teilzone nach Maßgabe des Energieanteils im ersten und die Temperatur an der Innenfläche der Teilzone nach Maßgabe des Energieanteils im zweiten Wellenlängenbereich bestimmt.
Aus der WO 96/41142 A1 ist ein drucksensitiver Anstrich bekannt, der auf eine Oberfläche aufgetragen wird, auf der eine Druckverteilung zu messen ist.
Aus der US 5 963 310 A ist ein Messgerät zur Bestimmung der Oberflächenreibung auf einem Körper bekannt, der einer Strömung ausgesetzt ist. Mit diesem Messgerät können zweidimensionale Wandschubspannungsvektoren aufgrund einer dreidimensionalen Strömung ermittelt werden.
Aus der US 5438 879 A ist ein Verfahren bekannt, mit dem die Oberflächenspannung in Größe und Richtung an einer Oberfläche bestimmt werden kann. Dabei wird eine drucksensitive Flüssigkristallschicht verwendet, die mit weißem Licht illuminiert wird. Mittels einer Videokamera wird die Farbe des Flüssigkristalls ynter einem bestimmten Winkel ermittelt. Aus dieser Farbinformation wird die Größe und Richtung der Schubspannung ermittelt.
Aus der DE 35 14 801 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Wandschubspannung an Modellen und anderen umströmten Körpern bekannt. Dabei wird auf die Oberfläche des Körpers an der Messstelle eine viskose durchsichtige Flüssigkeit in einer Schicht aufgebracht und die infolge der Strömungsbedingungen eintretende Dicken- und/oder Oberflächen- Neigungsänderung der Schicht mit einem Lichtstrahl detektiert. Der Lichtstrahl wird aus dem Innern des umströmten Körpers in Richtung auf die Oberfläche des Körpers und in die Schicht der viskosen Flüssigkeit geleitet und der reflektierte Lichtstrahl im Innern des umströmten Körpers aufgefangen und dann hinsichtlich Interferenzerscheinungen oder Auftreffstelle weiterverarbeitet.
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 ermitteln. 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:
Figur 1 eine funktionale Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung und
Figur 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 1 a mit einer auf der Oberfläche 1 angeordneten Meßschicht S versehen, die die erfindungsgemässe Anwendung sowohl des vorgesehenen Druckmeß-Verfahrens als auch des Infrarot- Thermografie-Verfahrens erlaubt. Bei einem u-y-Koordinatensystem (Figur 2), bei dem die Koordinate y quer zur Strömungsrichtung verläuft und senkrecht auf der Oberfläche 1 steht und u in die Strömungsrichtung 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 Wärmefluß 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 1 a erfolgt über die Ermittlung der Temperatur-Verteilung jeweils über die erste Fläche oder Wand-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 Wandschubspannungsverteilung auf der Oberfläche 1 des umströmten Körpers bestimmt.
Die in der Figur 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 Figur 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 Tw
Substrat-Temperatur Ts , d.h. die Tempüeratur an der ersten Bezugsfläche,
Statischer Druck P ,
des umströmten Modells benötigt. Die Zusammenhänge zur Berechnung sind im folgenden dargestellt:
du xw = μ — (1 ) dy
mit μ als der dynamischen Viskosität. Mit qw als dem Wärmefluß an einem Ort der Oberfläche 1 bzw. der Flächen F1 , F2 und λβ als der Wärmeleitfähigkeit des Gases, das als das Störmungsmedium verwendet wird, und der Gas-Tmperatur T gilt:
qw = - λG ~ (2) dy Aus (2) und (3) folgt
*" «^"*„ ~ dT 0)
Das Symbol cPG bezeichnet die spezifische Wärmekapazität des als Strömungsmedium verwendeten Gases.
Ohne Reibung ergibt sich für
du _ "•<?
1τ τx-τ (5)
Hierbei bezeichnen:
Pr die Prandtl-Zahl, uδ die Geschwindigkeit am äußeren Rande der Grenzschicht, uw die Geschwindigkeit an der Oberfläche 1 bzw. der zweiten Bezugsfläche
F2, - Tδ die Temperatur am äußeren Rande der Grenzschicht,
Tw die Temperatur an der Oberfläche 1 bzw. der zweiten Bezugsfläche F2.
Mit Reibung unter Berücksichtigung, daß
u = 0
ist, folgt
du uf
(7) dT Te-Tw
und damit
Pr us
(8)
"W'~cPG q* (Te-Tw)
wobei qw=^(τw-Ts) (9) ist. Unter Berücksichtigung von
K- (10)
~(τe-τw)
ergibt sich
Trw„>« Pr •hhww--uuδδ (11) c 'PPGG
Da das Meßverfahren nur bei nicht-adiabater Modelloberfläche (Tw ≠Te) funktioniert, Te 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
(13) dn
ist Pw « P , und damit
(15)
1 + M
= Mδ - k -R -Tδ (16)
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:
Hierbei bezeichnen:
s den Reynoldschen Analogiefaktor,
Ug die Geschwindigkeit am äußeren Rande der Grenzschicht, die über das
Druckmeß-Verfahren bestimmt wird, hw 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 Wandschubspannungen 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 Druckmeß-empf lindlichen 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 (Tw) und auf der Fläche, die von der Folie bedeckt wird (Ts), 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 - kann der lokal bestehende Wärmefluß qw 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

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Wandschubspannung auf der Oberfläche (1 ) eines umströmten Körpers,
d a d u rc h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass mit Hilfe von Infrarot-Thermografie-Verfahren (IRT, IR-System 2) der Wärmefluß in die Oberfläche (1 ) des umströmten Körpers bestimmt wird;
dass mit Hilfe eines Verfahrens der optischen Druckmeßtechnik (PSP- System 3) die Oberflächendruckverteilung auf der Oberfläche (1) des umströmten Körpers erfaßt wird; und
dass mittels einer Prozessoreinheit (4) aus Wärmefluß- und Oberflächendruckverteilung die Wandschubspannungsverteilung auf der Oberfläche (1) des umströmten Körpers bestimmt wird.
2. Verfahren zur Bestimmung der Wandschubspannung auf der Oberfläche (1) eines umströmten Körpers nach dem Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeflußverteilung und die Oberflächendruckverteilung simultan oder in aufeinanderfolgenden Iterationsschritten ermittelt werden.
3. 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, wobei das IR-System (2) durch eine Filtervorrichtung (5) in wenigstens zwei bestimmten, unterschiedlichen spektralen Emissionsbereichen die Temperaturverteilung erfaßt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
eine Synchronisationseinheit (6) zur zeitlichen Steuerung der Erfassung der Daten des PSP-Systeme (3) und des IR-Systems (2) und
- eine Prozessoreinheit (4) zur Ermittlung der momentanen Verteilung der örtlichen Geschwindigkeit des Fluids oder Wandschubspannungen an der Oberfläche (1) des umströmten Körpers
vorgesehen sind.
4. Vorrichtung zur Bestimmung der Wandschubspannung auf der Oberfläche
(1 ) eines umströmten Körpers mit einem PSP-System (3) und einem IR-System
(2) nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Oberflächendruckverteilung auf der Oberfläche (1 ) des umströmten Körpers mit dem PSP-System (3) und die Bestimmung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche (1) mit dem IR-System (2) simultan oder in aufeinanderfolgenden Iterationsschritten erfolgt.
5. 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 (Tw) auf der Oberfläche der Meßschicht (S) und die Temperatur (Ts) 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 (Tw) auf der Oberfläche der Meßschicht (S) und der Temperatur (Ts) auf der Fläche (F1 ), die von der Meßschicht (S) bedeckt wird,
Bestimmung der Verteilung des Wärmeflusses qw über die Meßzone (1 a) auf der Basis der beiden Temperaturmeßwerte und der Dicke der Meßzone (1a) sowie der Wärmeleitfähigkeit λM 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.
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