EP4496981A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung einer laminaren oder turbulenten grenzschicht - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erfassung einer laminaren oder turbulenten grenzschicht

Info

Publication number
EP4496981A1
EP4496981A1 EP23714656.8A EP23714656A EP4496981A1 EP 4496981 A1 EP4496981 A1 EP 4496981A1 EP 23714656 A EP23714656 A EP 23714656A EP 4496981 A1 EP4496981 A1 EP 4496981A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
determining
distance
approximately
boundary layer
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.)
Pending
Application number
EP23714656.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erhard Mayer
Victor Norrefeldt
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4496981A1 publication Critical patent/EP4496981A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/08—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness for measuring thickness
    • G01B21/085—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness for measuring thickness using thermal means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G01K13/024—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow of moving gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a thickness d of a laminar or turbulent boundary layer on a surface of a body surrounded by flow, which has a temperature difference to the flowing medium, in which at least a first temperature (T o ), a second temperature (T x ) and a fourth temperature (T L ) is measured at a predeterminable distance ( X1 , Temperature and a second device for determining a temperature and a fourth device for determining a temperature can be used.
  • the invention further relates to a device for carrying out such a method.
  • the exponential drop in air temperature over a convection surface can be determined optically using a laser differential interferometer.
  • a measurement setup enables precise recording of the temperature curve and thus the convective heat transfer coefficient h c .
  • the outlay on equipment is very high, so such a measurement is not suitable for routine measurements.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device which allows precise detection of the convective heat transfer coefficient h c and/or the thickness d of a laminar or turbulent boundary layer under changing flow conditions and with little expenditure on equipment.
  • the object is achieved according to the invention by a method according to claim 1 and a device according to claim 10.
  • Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims.
  • it is proposed to measure not only three but at least four temperatures in order to determine a thickness d of a laminar or turbulent boundary layer on a surface of a body surrounded by a flow, which has a temperature difference to the flowing medium.
  • To record the temperatures at least a first device for detecting a temperature, a second device for detecting a temperature, a third device for detecting a temperature and a fourth device for detecting a temperature are available, each of which are arranged at a predeterminable and different distance from the surface of the body around which the flow occurs.
  • the at least three devices for detecting the temperatures can be resistance thermometers and/or thermocouples.
  • the distance to the surface of the body around which the flow flows refers to the length of the normal vector between the respective device for determining the temperature and the surface.
  • the temperature progression within the boundary layer between the surface temperature and the ambient temperature follows an exponential progression with the thickness d of a laminar or turbulent boundary layer as a constant. If the measured values of the devices for recording a temperature lie within predetermined error limits on this exponential curve, it can be concluded that there is a laminar flow over the surface. If the measured values deviate from this exponential curve within predeterminable error limits, the flow is turbulent beyond a laminar sublayer located close to the surface.
  • the first device for detecting the temperature is arranged directly on the surface of the body around which the flow occurs, so that it the temperature T o of the surface is recorded.
  • the fourth device for detecting a temperature is arranged at a greater distance from the surface so that it detects the undisturbed ambient temperature.
  • the second and third devices for determining a temperature are located within the boundary layer that forms above the surface. This allows a particularly simple evaluation of the measured values to determine whether the flow on the surface is laminar or turbulent.
  • the first device for determining a temperature the second device for determining a temperature
  • thermocouples Device for determining a temperature is formed by thermocouples. This can reduce the amount of equipment needed to record measured values
  • the distance X2 at which the second temperature (T x ) is measured from the surface may be about 0.2 mm to about 2 mm. In other embodiments of the invention, the distance X2 at which the second temperature (T x ) is measured from the surface may be about 0.3 mm to about 1 mm. In still other embodiments of the invention, the distance X2 at which the second temperature (T x ) is measured from the surface may be approximately 0.7 mm. This can ensure that even a laminar underlayer of an otherwise turbulent flow is reliably detected.
  • the distance X3 at which the third temperature (T y ) is measured from the surface may be about 4 mm to about 7 mm. In other embodiments of the invention, the distance X3 at which the third temperature (T y ) is measured from the surface may be approximately 5 mm. This can ensure that a turbulent flow can be reliably detected even if it still forms a laminar sublayer near the surface.
  • the distance X1 may be approximately 0 mm so that the first temperature (T o ) corresponds to the temperature of the surface.
  • the distance X4 can be chosen so large that the fourth temperature (T L ) corresponds to the temperature of the surroundings of the body around which the flow occurs.
  • T L fourth temperature
  • the distance X4 is between about 9 mm and about 20 mm.
  • the distance X4 can be between about 10 mm and about 14 mm.
  • the distance X4 can be between about 11 mm and about 16 mm.
  • the first device can determine a temperature and the second
  • thermocouples for determining a temperature is formed by thermocouples, wherein a first thermal voltage is measured between the first and the fourth device for determining a temperature and a second thermal voltage U 2 is measured between the second and the fourth device for determining a temperature and a third thermal voltage U 3 is measured between the third and fourth devices for determining a temperature.
  • a first thermal voltage is measured between the first and the fourth device for determining a temperature
  • a second thermal voltage U 2 is measured between the second and the fourth device for determining a temperature
  • a third thermal voltage U 3 is measured between the third and fourth devices for determining a temperature.
  • the parameter be determined by a calibration measurement.
  • a calibration measurement takes into account that the temperature T x and T y measured by the second or third device for determining a temperature are both of the flowing medium as well as by lead wires and optional mechanical fastening devices of the sensor. This influence can either be determined mathematically through a computer simulation of the heat flows or, particularly simply, through a calibration measurement for each sensor or each type of sensor.
  • At least the second and the third and the fourth device for determining a temperature can each consist of a thermocouple, which are formed from a common first wire made of a first material and each of at least one further wire made of a second material, which is connected to the first wire at one contact point, the wires each extending from the surface into the half space adjacent to the surface and having a diameter of approximately 300 ⁇ m or less.
  • the contact points can be formed by a clamping and/or soldering and/or welding connection.
  • the first, second, third and fourth wires may each have a diameter of about 50 ⁇ m to about 250 ⁇ m. In other embodiments of the invention, the first, second, third and fourth wires may each have a diameter of about 50 ⁇ m to about 150 ⁇ m. In yet other embodiments of the invention, the first, second, third and fourth wires may each have a diameter of about 75 ⁇ m to about 125 ⁇ m. In other embodiments of the invention, the first, second, third and fourth wires may each have a diameter of about 90 ⁇ m to about 110 ⁇ m. In other embodiments of the invention, the first, second, third and fourth wires each have a diameter of approximately 100 ⁇ m.
  • the first, second, third and fourth wires may freely extend into the half space surrounding the surface.
  • the first, second, third and fourth wires may not be connected to a support structure at least at the longitudinal portion that is not in contact with the surface.
  • Figure 1 shows an example of the known flow conditions for laminar and turbulent flow on a surface
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a CHM sensor according to the invention.
  • Figure 3 shows the measured values of the second and third devices for detecting a temperature against their distance X2 and X3 from the surface in laminar flow.
  • Figure 4 shows the measured values of the second and third devices for detecting a temperature against their distance X2 and X3 from the surface in turbulent flow.
  • Figure 1 shows a cross section through a body 6 with a surface 65 surrounded by flow.
  • the body 6 can, for example, be part of a vehicle or aircraft or a ship. In other embodiments of the invention, the body 6 can be part of a wind turbine. In still other embodiments of the invention, the body 6 can be part of a room climate measuring device which determines the convective heat transfer coefficient and/or the exchange of radiant heat with the environment.
  • the surface 65 can be heated, for example with an electrical heating device. In other embodiments of the invention, surface 65 may be the outside of a heat exchanger.
  • a forced flow or a convection flow flows around the body 6, so that a flow is formed in the half space of the body 6 adjoining the surface 65 .
  • a laminar and a turbulent flow as well as the transition area are shown in Figure 1 using a flat plate.
  • a laminar flow 5 in section I.
  • the fluid flows in layers that do not mix with each other.
  • the streamlines ie the path lines of the fluid particles, run virtually parallel to one another.
  • the temperature decreases exponentially within the boundary layer from the surface 65 to the environment outside the boundary layer: where T x denotes the temperature at distance x from the surface, T o denotes the temperature of the surface and T L the temperature of the flowing medium and d the thickness of the boundary layer.
  • a turbulent flow 55 is shown in section II. In turbulent flow, the fluid particles move chaotically in all directions, but macroscopically still in the direction of flow.
  • the fluid Due to the turbulence, the fluid is mixed so that the heat transfer coefficient h c in the turbulent boundary layer and the thickness d of the boundary layer is greater than in the laminar boundary layer.
  • the heat flow from the surface 65 into the surroundings is therefore greater in the turbulent boundary layer than in the laminar boundary layer.
  • 1 further shows in section II that a laminar underlayer 50 forms adjacent to the surface 65.
  • the thickness corresponds to approximately 3% - 5% of the turbulent boundary layer.
  • first section I and the second section II there is a transition zone within which the thickness of the laminar sublayer 50 decreases and the thickness of the turbulent boundary layer increases.
  • Figure 2 again shows a cross section through a body 6 with a surface 65 flowing around it.
  • the boundary layer sensor or the device 1 for determining a thickness d of a laminar or turbulent boundary layer is in operation, the body 6 is flowed around by a forced flow or a convection flow, as explained above in connection with Figure 1.
  • a boundary layer sensor or CHM sensor 1 is used according to the invention.
  • the boundary layer sensor 1 is set up to detect four temperatures or two temperature differences.
  • the boundary layer sensor has a first device for detecting a temperature 31, which is arranged at a first distance X1 from the surface 65.
  • the first device 31 for detecting a temperature is located directly on the surface 65.
  • the distance X1 is therefore 0 mm.
  • the boundary layer sensor 1 has a second device 32 for detecting a temperature, which is arranged at a distance X2 above the surface 65.
  • the distance X2 can, for example, be between approximately 0.2 mm and approximately
  • the second device 32 for detecting a temperature in a wide speed range is located within the laminar sublayer explained above.
  • the boundary layer sensor 1 has a third device 33 for detecting a temperature, which is arranged at a distance X3 above the surface 65.
  • the distance X3 can be, for example, between 4 mm and 7 mm.
  • the third distance X3 can be approximately 5 mm.
  • the distance In the case of turbulent flow, the third device 33 for detecting a temperature is located within the turbulent boundary layer explained above.
  • the boundary layer sensor 1 has a fourth device 34 for determining a temperature, which is arranged at a distance X4 above the surface 65.
  • the distance X4 can, for example, be between about 9 mm and about 20 mm or between about 10 mm and about 14 mm or between
  • the distance X4 is chosen so that the fourth device for determining a temperature is the ambient temperature of the surface above the Surface 65 flowing medium outside the boundary layer is recorded.
  • the first, second, third and fourth devices 31, 32, 33 and 34 for determining a temperature are designed as thermocouples.
  • the boundary layer sensor 1 has a first wire 20, which consists of a first material.
  • One end of the first wire 20 is connected to one end of a second wire 21.
  • the second wire 21 consists of a second material, so that a thermal voltage can develop at the contact point, which represents a measure of the temperature T o of the surface 65.
  • the first wire 20 also has a second end, which is arranged at a distance X4 from the surface 65.
  • a fourth contact point with a fifth wire 24 is formed at this end. This contact point forms the fourth device 34 for determining the temperature T L .
  • This contact point forms the third device 33 for determining the temperature T Y.
  • three thermal voltages can thus be determined; a first thermal voltage is determined with a first measuring device 41 between the second wire 21 and the fifth wire 24.
  • a second thermal voltage is determined with a second measuring device 42 between the fifth wire 24 and the third wire 22.
  • a third thermal voltage is determined with a third measuring device 43 between the fifth wire 24 and the fourth wire 24.
  • the first thermal voltage is therefore a measure of the temperature difference T o - T L .
  • the second thermal voltage is a measure of the temperature difference T x - T L .
  • the third thermal voltage is a measure of the temperature difference T Y - T L .
  • the boundary layer sensor 1 can be attached to the surface 65 in a simple manner using an adhesive tape 7. This makes the boundary layer sensor 1 also suitable for temporary or mobile use, for example for experiments in a flow channel.
  • the adhesive tape allows installation without disturbing the geometry of the surface.
  • the boundary layer sensor 1 can contain further elements, in particular mechanical fastening devices, which hold the devices 31, 32, 33 and 34 for determining the temperatures T o , T L , T y and T x at the locations intended for them.
  • mechanical fastening devices which hold the devices 31, 32, 33 and 34 for determining the temperatures T o , T L , T y and T x at the locations intended for them.
  • the temperature profile within the boundary layer above the surface 65 follows an exponential function, which is why known methods for evaluating the measured values are essentially based on deriving the coefficients of an exponential function from the measured values T o , T x and T L , which is the boundary layer thickness and/or represent the convective heat transfer coefficient.
  • T o , T x and T L which is the boundary layer thickness and/or represent the convective heat transfer coefficient.
  • T o , T x and T L which is the boundary layer thickness and/or represent the convective heat transfer coefficient.
  • T o , T x and T L which is the boundary layer thickness and/or represent the convective heat transfer coefficient
  • Figures 3 and 4 illustrate the influence of the flow on the measured values of sensor 1.
  • the measured values T x - T L and T Y - T L in Kelvin are plotted on the ordinate in a logarithmic scale and the distance X2 or X3 of the second and third devices 32 and 33 for determining a temperature T x on the abscissa.
  • the temperature profile for laminar flow is shown in Figure 3 and the temperature profile for turbulent flow is shown in Figure 4.
  • the measured values T x and T Y lie on a straight line in the illustrated embodiment with laminar flow. This means that the thickness d 1 of the boundary layer determined with the second device for determining a temperature at distance X2 is just as large as the thickness d 2 of the boundary layer determined with the third device for determining a temperature at distance X3 , ie
  • the measured values T x and T Y in the illustrated embodiment are in turbulent flow no longer on a straight line.
  • the boundary layer thickness d 1 of the laminar lower layer determined with the second device for determining a temperature at distance X2 assumes a different value than the boundary layer thickness d 2 of the turbulent boundary layer determined with the third device for determining a temperature at distance X3, ie
  • the case shown in section II of Figure 1 occurs, namely a turbulent flow.
  • this case can be modeled in a logarithmic representation with two straight lines or with two exponential curves, whereby the intersection of the two straight lines in the logarithmic representation indicates the thickness of the laminar sublayer.
  • a digital or analog computing circuit can be used, which indicates the transition from turbulent to laminar flow using an acoustic and/or optical signal when the boundary layer thicknesses d 1 and d 2 deviate from one another by a predeterminable value.
  • This signal can also be used to automatically control a wind turbine or the flight attitude of an aircraft.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht an einer Oberfläche (65) eines umströmten Körpers (6), welche eine Temperaturdifferenz zum strömenden Medium aufweist, bei welchem zumindest eine erste Temperatur (TO), eine zweite Temperatur (Tx) und eine vierte Temperatur (TL) jeweils in einem vorgebbaren Abstand (X1, X2, X4) zur Oberfläche (65) des umströmten Körpers (6) gemessen wird, wobei zur Messung der Temperaturen (TO, Tx, TL) zumindest eine erste Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (31) und eine zweite Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (32) und eine vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (34) verwendet werden, und weiterhin mit einer dritten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (33) eine dritte Temperatur (Ty) gemessen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht an einer Oberfläche (65) eines umströmten Körpers (6).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht an einer Oberfläche eines umströmten Körpers, welche eine Temperaturdifferenz zum strömenden Medium aufweist, bei welchem zumindest eine erste Temperatur (To), eine zweite Temperatur (Tx) und eine vierte Temperatur (TL) jeweils in einem vorgebbaren Abstand (X1, X2, X4) zur Oberfläche des umströmten Körpers gemessen wird, wobei zur Messung der Tem- peraturen (To, Tx, TL) zumindest eine erste Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur und eine zweite Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur und eine vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur verwendet werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Aus der DE 102016 107 212 A1 ist bekannt, den konvektiven Wärmeübergangskoeffizient hc einer Konvektionsfläche mit einer Vorrichtung zu bestimmen, welche eine erste Tempera- turdifferenz zwischen einer Oberflächentemperatur und einer Umgebungstemperatur und eine zweite Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur innerhalb der Grenzschicht und der Umgebungstemperatur bestimmt. Hierzu werden drei Temperatur- sensoren in unterschiedlichem Abstand zur Oberfläche verwen- det. Diesem bekannten Sensor liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Temperaturverlauf innerhalb der Grenzschicht einen exponentiellen Verlauf aufweist, mit der Grenzschichtdicke d als Konstante. Durch Bestimmung von drei Stützstellen kann somit der exponentielle Verlauf und daraus der konvektive Wärmeübergangskoeffizient bestimmt werden. Diese bekannte Vorrichtung wird nachfolgend auch als CHM-Sensor bezeichnet.
Alternativ kann der exponentielle Abfall der Lufttemperatur über einer Konvektionsfläche optisch mittels eines Laser- differentialinterferometers bestimmt werden. Ein solcher Messaufbau ermöglicht eine genaue Erfassung des Tempera- turverlaufs und damit des konvektiven Wärmeübergangsko- effizienten hc. Der apparative Aufwand ist jedoch sehr hoch, sodass sich eine solche Messung nicht für Routinemessungen eignet.
Aus der Praxis ist bekannt, dass sich die Wärmeabfuhr einer Konvektionsfläche bei laminarer Strömung von der Wärmeabfuhr einer Konvektionsfläche bei turbulenter Anströmung unter- scheidet. Die aus der DE 102016 107 212 A1 bekannte Vor- richtung weist jedoch den Nachteil auf, dass turbulente und laminare Strömungen nicht unterschieden werden können und daher der konvektive Wärmeübergangskoeffizient hc einer Konvektionsfläche und/oder die Dicke d der Grenzschicht bei turbulenter Strömung falsch erfasst wird.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche eine genaue Erfassung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten hc und/oder der Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht bei wechselnden Strömungsbedingungen und mit geringem apparativen Aufwand erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Bestimmung einer Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht an einer Oberfläche eines umströmten Körpers, welche eine Temperaturdifferenz zum strömenden Medium aufweist, nicht nur drei, sondern zumindest vier Temperaturen zu messen. Zur Erfassung der Temperaturen stehen zumindest eine erste Ein- richtung zur Erfassung einer Temperatur, eine zweite Ein- richtung zur Erfassung einer Temperatur, eine dritte Ein- richtung zur Erfassung einer Temperatur und eine vierte Ein- richtung zur Erfassung einer Temperatur zur Verfügung, welche jeweils in einem vorgebbaren und jeweils unterschied- lichen Abstand zur Oberfläche des umströmten Körpers ange- ordnet sind. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die zumindest drei Einrichtungen zur Erfassung der Temperaturen Widerstandsthermometer und/oder Thermoelemente sein. Unter dem Abstand zur Oberfläche des umströmten Kör- pers wird für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung die Länge des Normalenvektors zwischen der jeweiligen Einrich- tung zur Bestimmung der Temperatur und der Oberfläche bezeichnet.
Bei laminarer Strömung folgt der Temperaturverlauf innerhalb der Grenzschicht zwischen der Oberflächentemperatur und der Umgebungstemperatur einem exponentiellen Verlauf mit der Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht als Konstante. Liegen die Messwerte der Einrichtungen zur Erfassung einer Temperatur inerhalb vorgebbarer Fehler- grenzen auf diesem exponentiellen Verlauf, so kann auf eine laminare Strömung über der Oberfläche geschlossen werden. Weichen die Messwerte inerhalb vorgebbarer Fehlergrenzen von diesem exponentiellen Verlauf ab, so ist die Strömung jen- seits einer nahe an der Oberfläche befindlichen laminaren Unterschicht turbulent.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die erste Einrichtung zur Erfassung der Temperatur unmittelbar auf der Oberfläche des umströmten Körpers angeordnet, sodass diese die Temperatur To der Oberfläche erfasst. Die vierte Einrich- tung zur Erfassung einer Temperatur ist in einem größeren Abstand zur Oberfläche angeordnet, sodass diese die ungestörte Umgebungstemperatur erfasst. Die zweite und dritte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur befinden sich innerhalb der sich über der Oberfläche ausbildenden Grenzschicht. Dies erlaubt eine besonders einfache Aus- wertung der Messwerte, um festzustellen, ob die Strömung an der Oberfläche laminar oder turbulent ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die erste Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur und die zweite
Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur und die dritte
Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur und die vierte
Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur durch Thermo- elemente gebildet werden. Hierdurch kann der apparative Aufwand zur Messwerterfassung verringert sein
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dicke d der Grenzschicht aus den Temperaturen (To, Tx, Ty, TL), dem Abstand X2 der zweiten Einrichtung zur Bestimmung einer Tem- peratur über der Oberfläche, dem Abstand X3 der dritten Ein- richtung zur Bestimmung einer Temperatur und den Wärmeleit- koeffizienten λL des strömenden Mediums und λM der Sensor- anordnung wie folgt zweifach bestimmt werden: wobei die Strömung als turbulent erkannt wird, wenn d1 ǂ d2 und die Strömung als laminar erkannt wird, wenn d1 = d2, wobei aufgrund von Messunsicherheiten auch eine Abweichung der Werte innerhalb vorgebbarer Toleranzen als laminar angesehen werden kann. Hiermit kann beispielsweise ein Strömungsabriss an der Tragfläche eines Flugzeuges oder dem Flügel einer Windenergieanlage erkannt werden, um entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X2, in welchem die zweite Temperatur (Tx) von der Oberfläche entfernt gemessen wird, etwa 0,2 mm bis etwa 2 mm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X2, in welchem die zweite Temperatur (Tx) von der Oberfläche entfernt gemessen wird, etwa 0,3 mm bis etwa 1 mm betragen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X2, in welchem die zweite Temperatur (Tx) von der Oberfläche entfernt gemessen wird, etwa 0,7 mm betragen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass auch eine lami- nare Unterschicht einer im Übrigen turbulenten Strömung sicher erkannt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X3, in welchem die dritte Temperatur (Ty) von der Oberfläche entfernt gemessen wird, etwa 4 mm bis etwa 7 mm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X3, in welchem die dritte Temperatur (Ty) von der Oberfläche entfernt gemessen wird, etwa 5 mm betragen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass eine turbulente Strömung auch dann zuverlässig erkannt werden kann, wenn diese nahe der Oberfläche noch eine laminare Unterschicht ausbildet.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X1 etwa 0 mm betragen, so dass die erste Temperatur (To) der Temperatur der Oberfläche entspricht.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X4 so groß gewählt werden, dass die vierte Temperatur (TL) der Temperatur der Umgebung des umströmten Körpers entspricht. Hierzu kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung der Abstand X4 zwischen etwa 9 mm und etwa 20 mm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X4 zwischen etwa 10 mm und etwa 14 mm betragen In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Abstand X4 zwischen etwa 11 mm und etwa 16 mm betragen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur und die zweite
Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur und die dritte
Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur und die vierte
Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur durch Thermo- elemente gebildet werden, wobei eine erste Thermospannung zwischen der ersten und der vierten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur gemessen wird und eine zweite Thermospannung U2 zwischen der zweiten und der vierten Ein- richtung zur Bestimmung einer Temperatur gemessen wird und eine dritte Thermospannung U3 zwischen der dritten und der vierten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur gemessen wird. Dies erleichtert die Auswertung der Messung, sodass mit geringem apparativen Aufwand, beispielsweise einer analogen Rechenschaltung, unmittelbar ein den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten repräsentierendes elektrisches Signal erzeugt werden kann. Eine solche analoge Rechenschal- tung kann beispielsweise mit Operationsverstärkern realisiert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Parameter durch eine Kalibriermessung bestimmt werden. Eine Kalibrier- messung berücksichtigt, dass die von der zweiten oder dritten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur gemessene Temperatur Tx und Ty sowohl vom strömenden Medium als auch von Zuleitungsdrähten und optionalen mechanischen Befestigungsvorrichtungen des Sensors beeinflusst wird. Dieser Einfluss kann entweder rechnerisch durch eine Com- putersimulation der Wärmeströme bestimmt werden oder, besonders einfach, durch eine Kalibriermessung für jeden Sensor oder jeden Sensortyp.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zumindest die zweite und die dritte und die vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur aus jeweils einem Thermoelement bestehen, welche gebildet sind aus einem gemeinsamen ersten Draht aus einem ersten Material und jeweils zumindest einem weiteren Draht aus einem zweiten Material, welcher an jeweils einer Kontaktstelle mit dem ersten Draht verbunden ist, wobei die Drähte sich jeweils von der Oberfläche ausgehend in den an die Oberfläche angrenzenden Halbraum erstrecken und einen Durchmesser von etwa 300 μm oder weniger aufweisen. Die Kontaktstellen können durch eine Klemm- und/oder Löt- und/oder Schweißverbindung gebildet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste, zweite, dritte und vierte Draht jeweils einen Durchmesser von etwa 50 μm bis etwa 250 μm aufweisen. In anderen Ausfüh- rungsformen der Erfindung kann der erste, zweite, dritte und vierte Draht jeweils einen Durchmesser von etwa 50 μm bis etwa 150 μm aufweisen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste, zweite, dritte und vierte Draht jeweils einen Durchmesser von etwa 75 μm bis etwa 125 μm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste, zweite, dritte und vierte Draht jeweils einen Durchmesser von etwa 90 μm bis etwa 110 μm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste, zweite, dritte und vierte Draht jeweils einen Durchmesser von etwa 100 μm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die ersten, zweiten, dritten und vierten Drähte frei in den die Oberfläche umgebenden Halbraum hineinragen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die ersten, zweiten, dritten und vierten Drähte zumindest mit dem Längsabschnitt, welcher nicht mit der Ober-fläche in Kontakt steht, nicht mit einer Stützstruktur verbunden sein. Durch diese Merkmale kann die thermische Last reduziert und die Ansprechgeschwindigkeit und/oder der Messfehler reduziert sein. Darüber hinaus kann eine Beeinflussung der Strömung durch die Stützstruktur vermieden werden, welche zur Störung der Strömung und dadurch zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen kann.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 beispielhaft die an sich bekannten Strömungsver- hältnisse bei laminarer und turbulenter Strömung an einer Oberfläche
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen CHM-Sensors.
Figur 3 zeigt die Messwerte der zweiten und dritten Ein- richtung zur Erfassung einer Temperatur gegen deren Abstand X2 bzw. X3 von der Oberfläche bei laminarer Strömung.
Figur 4 zeigt die Messwerte der zweiten und dritten Ein- richtung zur Erfassung einer Temperatur gegen deren Abstand X2 bzw. X3 von der Oberfläche bei turbulenter Strömung. Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen umströmten Körper 6 mit einer Oberfläche 65. Der Körper 6 kann bei- spielsweise Teil eines Fahr- oder Flugzeuges oder eines Schiffes sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Körper 6 Teil einer Windenergieanlage sein. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Körper 6 Teil eines Raumklimamessgerätes sein, welches den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten und/oder den Austausch von Strahlungswärme mit der Umgebung ermittelt. Hierzu kann die Oberfläche 65 beheizt sein, beispielsweise mit einer elektrischen Heizeinrichtung. In anderen Ausfüh- rungsformen der Erfindung kann die Oberfläche 65 die Außenseite eines Wärmetauschers sein.
Bei Betrieb des Grenzschichtsensors bzw. der Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Dicke d einer laminaren oder turbu- lenten Grenzschicht wird der Körper 6 von einer erzwungenen Strömung oder einer Konvektionsströmung umströmt, sodass sich in dem an die Oberfläche 65 anschließenden Halbraum des Körpers 6 eine Strömung ausbildet. Dargestellt sind in Figur 1 eine laminare und eine turbulente Strömung sowie das Über- gangsgebiet anhand einer ebenen Platte.
Dabei herrscht in Abschnitt I eine laminare Strömung 5. Das Fluid strömt in Schichten, die sich nicht miteinander ver- mischen. In einer laminaren Strömung verlaufen die Strom- linien, d.h. die Bahnlinien der Fluidteilchen, quasi parallel zueinander. Die Temperatur nimmt innerhalb der Grenzschicht exponentiell von der Oberfläche 65 zur Umgebung außerhalb der Grenzschicht ab: wobei Tx die Temperatur im Abstand x von der Oberfläche bezeichnet, To bezeichnet die Temperatur der Oberfläche und TL die Temperatur des strömenden Mediums und d die Dicke der Grenzschicht. In Abschnitt II ist eine turbulente Strömung 55 gezeigt. In der turbulenten Strömung bewegen sich die Fluidteilchen chaotisch in alle Richtungen, aber makroskopisch immer noch in Strömungsrichtung. Aufgrund der Verwirbelungen erfolgt eine Durchmischung des Fluides, so dass der Wärmeübergangs- koeffizient hc in der turbulenten Grenzschicht und die Dicke d der Grenzschicht größer ist als in der laminaren Grenz- schicht. Der Wärmestrom von der Oberfläche 65 in die Umge- bung ist demnach in der turbulenten Grenzschicht größer als in der laminaren Grenzschicht.
Figur 1 zeigt in Abschnitt II weiter, dass sich angrenzend an die Oberfläche 65 eine laminare Unterschicht 50 ausbil- det. Die Dicke entspricht in etwa 3 % - 5% der turbulenten Grenzschicht.
Zwischen dem ersten Abschnitt I und dem zweiten Abschnitt II befindet sich eine Übergangszone, innerhalb welcher die Dicke der laminaren Unterschicht 50 abnimmt und die Dicke der turbulenten Grenzschicht zunimmt.
Figur 2 zeigt nochmals einen Querschnitt durch einen um- strömten Körper 6 mit einer Oberfläche 65. Bei Betrieb des Grenzschichtsensors bzw. der Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht wird der Körper 6 von einer erzwungenen Strömung oder einer Konvektionsströmung umströmt, wie vorstehend in Zusammenhang mit Figur 1 erläutert. Zur Erfassung der Dicke d der Grenzschicht und/oder des konvektiven Wärmeübergangsko- effizienten hc über der Oberfläche 65 wird erfindungsgemäß ein Grenzschichtsensor bzw. CHM-Sensor 1 eingesetzt.
Der Grenzschichtsensor 1 ist dazu eingerichtet, vier Tempe- raturen bzw. zwei Temperaturdifferenzen zu erfassen. Hierzu weist der Grenzschichtsensor eine erste Einrichtung zur Erfassung einer Temperatur 31 auf, welche in einem ersten Abstand X1 zur Oberfläche 65 angeordnet ist. Im darge- stellten Ausführungsbeispiel befindet sich die erste Ein- richtung 31 zur Erfassung einer Temperatur unmittelbar auf der Oberfläche 65. Der Abstand X1 beträgt daher 0 mm.
Weiterhin weist der Grenzschichtsensor 1 eine zweite Ein- richtung 32 zur Erfassung einer Temperatur auf, welche in einem Abstand X2 über der Oberfläche 65 angeordnet ist. Der Abstand X2 kann beispielsweise zwischen etwa 0,2 mm bis etwa
1 mm betragen. Der Abstand X2 ist so gewählt, dass sich die zweite Einrichtung 32 zur Erfassung einer Temperatur bei laminarer Strömung innerhalb der sich über der Oberfläche 65 ausbildenden Grenzschicht befindet. Bei turbulenter Strömung befindet sich die zweite Einrichtung 32 zur Erfassung einer Temperatur in einem weiten Geschwindigkeitsbereich innerhalb der vorstehend erläuterten laminaren Unterschicht.
Weiterhin weist der Grenzschichtsensor 1 eine dritte Ein- richtung 33 zur Erfassung einer Temperatur auf, welche in einem Abstand X3 über der Oberfläche 65 angeordnet ist. Der Abstand X3 kann beispielsweise zwischen 4 mm und 7 mm betra- gen. Beispielsweise kann der dritte Abstand X3 etwa 5mm be- tragen. Der Abstand X3 ist so gewählt, dass sich die dritte Einrichtung 33 zur Erfassung einer Temperatur bei laminarer Strömung innerhalb der sich über der Oberfläche 65 ausbil- denden Grenzschicht befindet. Bei turbulenter Strömung be- findet sich die dritte Einrichtung 33 zur Erfassung einer Temperatur innerhalb der vorstehend erläuterten turbulenten Grenzschicht.
Schließlich weist der Grenzschichtsensor 1 eine vierte Ein- richtung 34 zur Bestimmung einer Temperatur auf, welche in einem Abstand X4 über der Oberfläche 65 angeordnet ist. Der Abstand X4 kann beispielsweise zwischen etwa 9 mm und etwa 20 mm oder zwischen etwa 10 mm und etwa 14 mm oder zwischen
II mm und etwa 16 mm betragen. Der Abstand X4 ist so gewählt, dass die vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur die Umgebungstemperatur des über der Ober- fläche 65 strömenden Mediums außerhalb der Grenzschicht erfasst. Somit kann der Abstand X4 über der Oberfläche 65 in Abhängigkeit der erwarteten Strömungsgeschwindigkeit gewählt werden, so dass bei geringerer Strömungsgeschwindigkeit Sensor mit kürzerer und bei hoher Strömungsgeschwindigkeit ein Sensor mit längerem Abstand gewählt wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste, zweite dritte und vierte Einrichtung 31, 32, 33 und 34 zur Bestimmung einer Temperatur als Thermoelemente ausgebildet. Hierzu weist der Grenzschichtsensor 1 einen ersten Draht 20 auf, welcher aus einem ersten Material besteht. Ein Ende des ersten Drahtes 20 ist mit einem Ende eines zweiten Drahtes 21 verbunden. Der zweite Draht 21 besteht aus einem zweiten Material, sodass sich an der Kontaktstelle eine Thermo- spannung ausbilden kann, welche ein Maß für die Temperatur To der Oberfläche 65 darstellt.
Der erste Draht 20 weist darüber hinaus ein zweites Ende auf, welches im Abstand X4 zur Oberfläche 65 angeordnet ist. An diesem Ende ist eine vierte Kontaktstelle mit einem fünften Draht 24 ausgebildet. Diese Kontaktstelle bildet die vierte Einrichtung 34 zur Bestimmung der Temperatur TL.
In gleicher Weise befindet sich entlang der Längserstreckung des ersten Drahtes 20 eine weitere Kontaktstelle mit einem dritten Draht 22 in einem Abstand X2. Diese Kontaktstelle bildet die zweite Einrichtung 32 zur Bestimmung der Temperatur Tx.
In gleicher Weise befindet sich entlang der Längserstreckung des ersten Drahtes 20 eine weitere Kontaktstelle mit einem vierten Draht 23 in einem Abstand X3. Diese Kontaktstelle bildet die dritte Einrichtung 33 zur Bestimmung der Temperatur TY. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können somit drei Thermospannungen bestimmt werden, eine erste Thermospannung wird mit einem ersten Messgerät 41 zwischen dem zweiten Draht 21 und dem fünften Draht 24 bestimmt. Eine zweite Thermospannung wird mit einem zweiten Messgerät 42 zwischen dem fünften Draht 24 und dem dritten Draht 22 bestimmt. Eine dritte Thermospannung wird mit einem dritten Messgerät 43 zwischen dem fünften Draht 24 und dem vierten Draht 24 bestimmt. Die erste Thermospannung ist somit ein Maß für die Temperaturdifferenz To - TL. Die zweite Thermospannung ist ein Maß für die Temperaturdifferenz Tx - TL. Die dritte Thermospannung ist ein Maß für die Temperaturdifferenz TY - TL.
Der Grenzschichtsensor 1 kann in einfacher Weise mittels eines Klebebandes 7 auf der Oberfläche 65 befestigt sein. Hierdurch eignet sich der Grenzschichtsensor 1 auch zur temporären bzw. mobilen Anwendung, beispielsweise für Versuche in einem Strömungskanal. Darüber hinaus ermöglicht das Klebeband die Montage ohne Störung der Geometrie der Oberfläche.
Der Grenzschichtsensor 1 kann in einigen Ausführungsformen weitere Elemente enthalten, insbesondere mechanische Befes- tigungsvorrichtungen, welche die Einrichtung 31, 32, 33 und 34 zur Bestimmung der Temperaturen To, TL, Ty und Tx an den ihnen zugedachten Stellen halten. Dadurch kann eine Verfor- mung beziehungsweise eine Veränderung der Abstände X2, X3 und X4 vermieden und/oder die Gefahr mechanischer Beschädi- gung des Grenzschichtsensors 1 reduziert werden.
Der Temperaturverlauf innerhalb der Grenzschicht über der Oberfläche 65 folgt bei laminarer Strömung einer Exponen- tialfunktion, weshalb bekannte Verfahren zur Auswertung der Messwerte im Wesentlichen darauf abstellen, aus den Mess- werten To, Tx und TL die Koeffizienten einer Exponential- funktion abzuleiten, welche die Grenzschichtdicke und/oder den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten repräsentieren. Erfindungsgemäß wurde jedoch erkannt, dass der Tempera- turverlauf innerhalb der Grenzschicht über der Oberfläche 65 bei turbulenter Strömung durch zwei Exponentialfunktionen beschrieben werden kann, nämlich eine für die laminare Unterschicht und eine weitere für die turbulente Grenz- schicht. Turbulente und laminare Strömung lassen sich somit unterscheiden, wenn neben der Temperatur Tx im Abstand X2 noch eine weitere Temperatur TY im Abstand X4 gemessen wird. Dies wird nachfolgend erläutert.
Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen den Einfluss der Strömung auf die Messwerte des Sensors 1. Dabei sind die Messwerte Tx - TL bzw. TY - TL in Kelvin auf der Ordinate in logarith- mischer Skala aufgetragen und der Abstand X2 bzw. X3 der zweiten und dritten Einrichtung 32 und 33 zur Bestimmung einer Temperatur Tx auf der Abszisse. Dargestellt ist in Figur 3 der Temperaturverlauf für laminare Strömung und in Figur 4 der Temperaturverlauf für turbulente Strömung.
Wie Figur 3 zeigt, liegen die Messwerte Tx und TY im darge- stellten Ausführungsbeispiel bei laminarer Strömung auf einer Geraden. Dies bedeutet, dass die mit der zweiten Ein- richtung zur Bestimmung einer Temperatur im Abstand X2 bestimmte Dicke d1 der Grenzschicht ebenso groß ist wie die mit der dritten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur im Abstand X3 bestimmte Dicke d2 der Grenzschicht, d.h.
Da sich die Dicke d der Grenzschicht über den gesamten Messbereich nicht ändert, liegt der in Abschnitt I der Figur 1 gezeigte Fall vor, nämlich eine laminare Strömung mit exponentiellem Temperaturverlauf.
Wie Figur 4 zeigt, liegen die Messwerte Tx und TY im dargestellten Ausführungsbeispiel bei turbulenter Strömung nicht mehr auf einer Geraden. Dies bedeutet, dass die mit der zweiten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur im Abstand X2 bestimmte Grenzschichtdicke d1 der laminaren Unterschicht einen anderen Wert annimmt als die mit der dritten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur im Abstand X3 bestimmte Grenzschichtdicke d2 der turbulenten Grenzschicht, d.h.
Da sich der konvektive Wärmeübergangskoeffizient über die Dicke der Grenzschicht ändert, liegt der in Abschnitt II der Figur 1 gezeigte Fall vor, nämlich eine turbulente Strömung. Wie Fig. 4 zeigt, lässt sich dieser Fall in logarithmischer Darstellung mit zwei Geraden bzw. mit zwei exponentiellen Verläufen modellieren, wobei der Schnittpunkt der beiden Geraden der logarithmischen Darstellung die Dicke der laminaren Unterschicht anzeigt.
Zur Auswertung der Messsignale kann eine digitale oder analoge Rechenschaltung verwendet werden, welche den Über- gang von turbulenter zu laminarer Strömung durch ein akustisches und/oder optisches Signal anzeigt, wenn die Grenzschichtdicken d1 und d2 um einen vorgebbaren Wert voneinander abweichen. Dieses Signal kann darüber hinaus zur automatischen Regelung einer Windenergieanlage oder der Fluglage eines Flugzeuges verwendet werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die darge- stellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be- schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausfüh- rungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung einer Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht an einer Oberfläche (65) eines umströmten Körpers (6), welche eine Temperatur- differenz zum strömenden Medium aufweist, wobei zumindest eine erste Temperatur (To), eine zweite Temperatur (Tx) und eine vierte Temperatur (TL) jeweils in einem vorgeb- baren Abstand (X1, X2, X4) zur Oberfläche (65) des um- strömten Körpers (6) gemessen wird, wobei zur Messung der Temperaturen (To, Tx, TL) zumindest eine erste Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (31) und eine zweite Ein- richtung zur Bestimmung einer Temperatur (32) und eine vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (34) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin mit einer dritten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (33) eine dritte Temperatur (Ty) gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzschichtdicke d aus den Temperaturen (To, Tx, Ty, TL), dem Abstand X2 der zweiten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (32) über der Oberfläche (65), dem Abstand X3 der dritten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (33) und den Wärmeleit- koeffizienten λL des strömenden Mediums und λM der Sensor- anordnung wie folgt zweifach bestimmt wird: wobei die Strömung als turbulent erkannt wird, wenn d1 ǂ d2 und die Strömung als laminar erkannt wird, wenn d1 = d2.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand X2, in welchem die zweite Temperatur (Tx) von der Oberfläche (65) entfernt gemessen wird, etwa 0,2 mm bis etwa 2 mm oder etwa 0,3 mm bis etwa 1 mm oder etwa 0,7 mm beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Abstand X3, in welchem die dritte Temperatur (Ty) von der Oberfläche (65) entfernt gemessen wird, etwa 3 mm bis etwa 7 mm oder etwa 5 mm beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Abstand X1 etwa 0 mm beträgt, so dass die erste Temperatur (To) der Temperatur der Ober- fläche (65) entspricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Abstand X4 so groß gewählt ist, dass die vierte Temperatur (TL) der Temperatur der Umgebung des umströmten Körpers (6) entspricht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Abstand X4 zwischen etwa 9 mm und etwa 20 mm oder zwischen etwa 10 mm und etwa 14 mm oder zwischen etwa 11 mm und etwa 16 mm beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass die erste Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (31) und die zweite Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (32) und die dritte Einrich- tung zur Bestimmung einer Temperatur (33) und die vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (34) durch Thermoelemente gebildet werden, wobei eine erste Thermo- spannung U1 zwischen der ersten und der vierten Einrich- tung zur Bestimmung einer Temperatur (31, 34) gemessen wird und eine zweite Thermospannung U2 zwischen der zweiten und der vierten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (32, 34) gemessen wird und eine dritte Thermospannung U3 zwischen der dritten und der vierten Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (33, 34) gemessen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Parameter durch eine Kalibriermessung bestimmt wird.
10.Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Dicke d einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht an einer Ober- fläche (65) eines umströmten Körpers (6), welche eine Temperaturdifferenz zum strömenden Medium aufweist, aufweisend zumindest eine erste Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (31) und eine zweite Einrich- tung zur Bestimmung einer Temperatur (32) und eine vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (34), welche jeweils in einem unterschiedlichen vorgebbaren Abstand (X1, X2, X4) zur Oberfläche (65) des umströmten Körpers (6) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) weiterhin eine dritte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (33) enthält, welche in einem dritten Abstand (X3) zur Oberfläche (65) des umströmten Körpers (6) angeordnet ist.
11.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Abstand X2, in welchem die zweite Tempera- tur (Tx) von der Oberfläche (65) entfernt gemessen wird, etwa 0,2 mm bis etwa 2 mm oder etwa 0,3 mm bis etwa 1 mm oder etwa 0,7 mm beträgt und/oder dass der Abstand X3, in welchem die dritte Temperatur (Ty) von der Oberfläche (65) entfernt gemessen wird, etwa 4 mm bis etwa 7 mm oder etwa 5 mm beträgt und/oder dass der Abstand X4 zwischen etwa 9 mm und etwa 20 mm oder zwischen etwa 10 mm und etwa 14 mm oder zwischen etwa 11 mm und etwa 16 mm beträgt.
12.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (31) und die zweite Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (32) und die dritte Einrich- tung zur Bestimmung einer Temperatur (33) und die vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Temperatur (34) durch Thermoelemente gebildet werden.
13.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die zweite und die dritte und die vierte Einrichtung zur Bestimmung einer Tempera- tur (32, 33, 34) aus jeweils einem Thermoelement bestehen, welche gebildet sind aus einem gemeinsamen ersten Draht (20) aus einem ersten Material und jeweils zumindest einem weiteren Draht (22, 23, 24) aus einem zweiten Material, welcher an jeweils einer Kontaktstelle mit dem ersten Draht (20) verbunden ist, wobei die Drähte (20, 22, 23, 24) sich jeweils von der Oberfläche (65) ausgehend in den an die Oberfläche angrenzenden Halbraum erstrecken und einen Durchmesser von etwa 300 μm oder weniger aufweisen.
14.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dass der erste, zweite, dritte und vierte Draht (20, 22, 23, 24) jeweils einen Durchmesser von etwa 50 μm bis etwa 250 μm oder von etwa 50 μm bis etwa 150 μm oder von etwa 75 μm bis etwa 125 μm oder von etwa 90 μm bis etwa 110 μm oder etwa 100 μm aufweisen.
15.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dass die ersten, zweiten, dritten und vierten Drähte (20, 21, 23, 24) frei in den die Ober- fläche umgebenden Halbraum hineinragen und/oder dass die ersten, zweiten, dritten und vierten Drähte (20, 21, 23, 24) zumindest mit dem Längsabschnitt, welcher nicht mit der Ober-fläche (65) in Kontakt steht, nicht mit einer Stützstruktur verbunden sind.
EP23714656.8A 2022-03-23 2023-03-22 Verfahren und vorrichtung zur erfassung einer laminaren oder turbulenten grenzschicht Pending EP4496981A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022202858.9A DE102022202858B3 (de) 2022-03-23 2022-03-23 Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht
PCT/EP2023/057276 WO2023180358A1 (de) 2022-03-23 2023-03-22 Verfahren und vorrichtung zur erfassung einer laminaren oder turbulenten grenzschicht

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4496981A1 true EP4496981A1 (de) 2025-01-29

Family

ID=85796001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23714656.8A Pending EP4496981A1 (de) 2022-03-23 2023-03-22 Verfahren und vorrichtung zur erfassung einer laminaren oder turbulenten grenzschicht

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4496981A1 (de)
DE (1) DE102022202858B3 (de)
WO (1) WO2023180358A1 (de)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130078154A1 (en) * 2011-09-23 2013-03-28 General Electric Company System for refractory layer measurement
DE102016107212A1 (de) 2016-04-19 2017-10-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten
DE102019206013A1 (de) * 2019-04-26 2020-10-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Grenzschichtsensor, dessen Herstellung und Verwendung
DE102021201692A1 (de) 2021-02-23 2022-08-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Grenzschichtsensor und Verfahren zur Erfassung der Dicke einer Grenzschicht
DE102021211392B3 (de) 2021-10-08 2022-12-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Verfahren zur Erfassung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten und der Dicke einer Grenzschicht

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022202858B3 (de) 2023-04-27
WO2023180358A1 (de) 2023-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102018006868B4 (de) Messeinrichtung zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit eines Fluids
EP3551981B1 (de) Verfahren zur in situ kalibrierung eines thermometers
EP0184011B1 (de) Vorrichtung zur Luftmengenmessung
EP3237862B1 (de) Temperaturfühler
DE102017120941B4 (de) Thermisches Durchflussmessgerät und Verfahren zum Betreiben eines thermischen Durchflussmessgeräts
DE102014119556A1 (de) Thermisches Durchflussmessgerät
WO2003027654A2 (de) Sensorbaustein mit einem sensorelement, das von einem heizelement umgeben ist
EP3446087B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des konvektiven wärmeübergangskoeffizienten
EP4047305B1 (de) Grenzschichtsensor und verfahren zur erfassung der dicke einer grenzschicht
DE102015201155B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturerfassung
DE102015000728B4 (de) Temperaturbestimmungseinrichtung mit Kalibrierungssensor und Verfahren hierzu
DE102022202858B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung einer laminaren oder turbulenten Grenzschicht
DE102021211392B3 (de) Verfahren zur Erfassung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten und der Dicke einer Grenzschicht
DE10392699B4 (de) Hochpräzise Messung und Steuerung von niedrigen Fluiddurchflussraten
DE2605195C3 (de) Thermische Sonde zum Messen der Richtung und des Betrages der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums
DE102017219672A1 (de) Verfahren zum Bestimmen einer Fluidtemperatur eines Fluids sowie Messeinrichtung
DE102022206014A1 (de) Heizeinrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen Heizeinrichtung
DE69317861T2 (de) Schaltkreis und Verfahren zur Kompensation der Nullpunktverschiebung
DE102011010461A1 (de) Sensor, Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Durchflussmessung
DE102016117215A1 (de) Verfahren zum Bestimmen einer Zusammensetzung eines gasförmigen Fluids und Gas-Zusammensetzungssensor
DE102021100561A1 (de) Durchflussmesser
DE2318279B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids
DE102019134603A1 (de) Thermometer mit Diagnosefunktion
EP3980729A1 (de) Thermisches durchflussmessgerät
DE102021128132B3 (de) Überwachungssystem zum Überwachen einer mechanischen Ermüdung eines Metallrohrs eines Kraftwerks, Kraftwerk, Benutzung und zugehöriges Verfahren

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240923

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)