WO2010003779A1 - Verfahren und system zur bestimmung einer auf einen körper einwirkenden kraft - Google Patents

Verfahren und system zur bestimmung einer auf einen körper einwirkenden kraft Download PDF

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Winfried Kuehn
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Airbus Operations Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/171—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using fluid means
    • G—PHYSICS
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    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/001—Full-field flow measurement, e.g. determining flow velocity and direction in a whole region at the same time, flow visualisation

Definitions

  • these or scaled-to-scale three-dimensional models of the objects to be examined are placed in a wind tunnel or flow channel.
  • models of aircraft or other vehicles are placed in a flow channel and exposed to the flow of a fluid, such as an airflow.
  • a flow channel can also be used for the investigation of buildings.
  • a three-dimensional model of a building for example a skyscraper or a bridge, is arranged in the wind tunnel and exposed to an air flow.
  • the force measurement of the forces acting on the body takes place statically, for example by means of so-called wind tunnel scales.
  • the force measurement is carried out directly by the wind tunnel scales, wherein mean values of the forces acting on the body are measured by the wind tunnel scale.
  • These conventional systems for determining a body-applied force have several disadvantages.
  • the wind tunnel balance only measures mean values of the force acting on the body and no time progression, ie only a static force measurement and no dynamic force measurement takes place.
  • a conventional system for determining a force with a wind tunnel balance is unsuitable for some components of a body.
  • a wind tunnel balance For force measurement of forces which act on a rotating body of an aircraft, for example on a propeller, a wind tunnel balance must be attached to the rotating structural component or the rotating component. This is possible only with considerable technical effort. In addition, the centrifugal forces occurring during rotation distort the measurement result.
  • the invention provides a method for determining forces on a body comprising the steps of:
  • Velocity fields In an embodiment of the method according to the invention, the velocity fields for the boundary surfaces of the control volume are optically detected.
  • the optical detection of a velocity field offers the advantage that during the measurement, the flow acting on the body is not influenced by the measurement.
  • control volume can be flexibly adapted in a simple manner to the spatial dimensions of the body to be examined.
  • the body in the flow channel is exposed to a flow of a fluid containing scattering particles.
  • a laser cut for detecting a particle distribution of the scattering particles at the respective boundary surface is detected by laser light for the boundary surfaces of the control volume.
  • the laser light is generated by a pulsed laser.
  • the particle distribution of the scattering particles is detected by means of at least two cameras.
  • the particle distributions detected by the cameras are temporarily stored as images in a memory.
  • the pressure distributions for the boundary surfaces of the Control volume detected by at least one pressure sensor which is freely movable in one or more of the boundary surfaces.
  • a local particle offset vector is calculated by cross-correlation of the detected particle distributions.
  • a velocity vector of the velocity field is calculated on the basis of the particle offset vectors.
  • a force F or force distribution acting on the body is calculated as follows:
  • V is a velocity vector
  • S is a boundary surface of the control volume
  • p is a detected pressure
  • p is the density of the flow fluid.
  • control volume is formed by a cube or cuboid with six boundary surfaces.
  • the boundary surfaces of the control volume are mutually orthogonal. This has the advantage that the evaluation of the data recorded at the boundary surfaces can be done without the coordinates being converted.
  • control volume is formed by a tetrahedron with four boundary surfaces.
  • a tetrahedron as a control volume has the advantage that the number of boundary surfaces to be evaluated is minimal.
  • the time profile of the force F (t) or the force distribution acting on the body is determined dynamically as a function of the instantaneous pressure distributions and speed fields.
  • the invention further provides a system having the features specified in claim 16.
  • the invention provides a system for determining at least one force acting on a body with:
  • the first measuring device has at least one pressure sensor, which is movable in one or more boundary surfaces or boundary planes of the control volume.
  • the second measuring device generates for each boundary surface of the control volume a laser cut for detecting a particle distribution of scattering particles in the boundary surface.
  • the second measuring device has at least one pulsed laser and at least two cameras.
  • the camera is a CCD camera or a CMOS camera.
  • the body is a three-dimensional model whose body volume is smaller than the control volume.
  • the invention further provides a computer program with program instructions for carrying out a method for determining at least one force acting on a body, which is mounted in a flow channel and is supplied with a fluid, the computer program comprising the following steps: Detecting a pressure distribution and a speed field of the boundary surface delimiting the control volume; and
  • the invention also provides a data carrier for storing such a computer program.
  • Fig. 1 is a block diagram showing a possible embodiment of a system according to the invention for determining a force acting on a body
  • Fig. 2a, 2b are diagrams for explaining the inventive
  • Fig. 3 is a simple flowchart for illustrating a possible imple mentation of the method according to the invention for determining a force acting on a body.
  • a body 2 is located within a measuring system 1 according to the invention Control volume 3, which is provided in a flow or wind tunnel.
  • the body 2 may be any body, in particular a three-dimensional model.
  • the three-dimensional model models, for example, an aircraft or a component of an aircraft.
  • the body 2 can also be other bodies to be examined, for example a motor vehicle or the model of a building to be examined.
  • the body 2 to be examined is located in a control volume, ie the volume or the size of the body 2 is smaller than the control volume 3.
  • the control volume 3 within the flow channel is a closed volume and has a plurality of boundary surfaces.
  • the geometry of the control volume 3 can be selected as a function of the geometry of the body 2 to be examined.
  • control volume 3 is formed by a cube or cuboid, the boundary surfaces of which are oriented orthogonally to each other.
  • control volume 3 is formed by a tetrahedron with four boundary surfaces. The geometry and dimensions of the control volume 3 are flexibly adaptable to the shape and size of the body 2 to be examined.
  • the body 2 to be examined located in the control volume 3 is exposed to the flow of any fluid 4 in the flow channel.
  • the fluid 4 may be, for example, a gas or a liquid.
  • the flow fluid 4 is formed by air.
  • one or more blower generates an air flow which is directed to the body 2.
  • scattering particles are added to the fluid 4 Light, especially laser light, reflect.
  • the size or the diameter of the scattering particles can be changed.
  • a laser 5 is provided for each boundary surface of the control volume 3, which generates a pulsed laser light with adjustable light intensity.
  • a laser cut for detecting a particle distribution of the scattering particles in the respective boundary surface is detected in each case for each boundary surface of the control volume 3.
  • the number of laser light sources or the laser 5 is less than the number of control surfaces 3 enclosing boundary surfaces.
  • a laser cut is produced for each boundary surface by means of optical devices, for example by means of lenses and mirrors, the laser light being generated by a common laser 5.
  • the time period or the frequency of the pulsed laser light is adjustable.
  • the measuring system 1 also has at least two cameras 6A, 6B which optically detect the particle distribution of the scattering particles for each boundary surface.
  • the cameras 6A, 6B may, for example, be CCD (charge coupled device) cameras or CMOS cameras.
  • the particle distributions for the respective boundary surface of the control volume 3 detected by the cameras 6A, 6B can be temporarily stored as images in a memory 7 of a data processing device 8.
  • the control of the laser 5 and the cameras 6A, 6B is performed by a synchronization controller or a synchronizer 9.
  • the cameras ⁇ a, 6b becomes a local Offset of many scattering particles, which follow the flow of the fluid 4 slip-free, recorded by a boundary surface of the control volume in the flow is illuminated with two very short light pulses through the laser 5.
  • the duration of the light pulses can range from a few nanoseconds to a few microseconds.
  • the particle distributions detected by the cameras 6A, 6B are temporarily stored as images in the memory 7 and subsequently evaluated by a calculation unit 10. By cross-correlation of the detected particle distributions, a local particle offset vector is calculated by the calculation unit 10.
  • velocity vectors V of a velocity field are calculated for each bounding surface enclosing the control volume 3.
  • the calculation unit 10 receives data or measurement signals from a pressure sensor 11.
  • the pressure sensor 11 is movable in one or more of the boundary surfaces of the control volume 3 and detects a pressure distribution in the respective boundary surfaces of the control volume 3
  • the pressure sensor 11 is moved in a plane corresponding to the stored coordinates of the boundary surfaces of the control volume 3 by a driven motor.
  • the pressure sensor 11 measures a static pressure distribution in the boundary surface in a predetermined grid of measuring points.
  • the pressure sensor 11 forms a first measuring device for detecting a pressure distribution for each control surface 3 limiting boundary surface.
  • the laser 5 and the associated cameras 6A, 6B form a second measuring device for detecting a velocity field for each boundary surface of the control volume 3.
  • the second measuring device generates for each boundary surface of the control volume 3 a laser cut for detecting the particle distribution of scattering particles on the boundary surface.
  • the resolution or the grid of the measuring points for determining the pressure distribution and the speed field is preferably adjustable.
  • the calculation unit 10 calculates the force F acting on the body 2 dynamically as a function of the pressure distributions detected for the boundary surfaces of the control volume 3 and as a function of the velocity vectors V at the different boundary surfaces of the control volume 3.
  • the calculation of a force F (t) acting on the body 2 is effected by means of the following equation:
  • V is a velocity vector
  • S is a boundary surface of the control volume 3
  • p is a pressure detected at the boundary surface
  • p is the density of the fluid flow 4.
  • the calculation unit 10 can be formed for example by one or more microprocessors, which evaluate the data supplied by the measuring devices in real time and output the results via a user interface.
  • FIG. 2a shows a simple example for explaining the method according to the invention for determining a force F acting on a body 2.
  • the example shown in FIG. 2a is a rotating body 2, in particular a propeller.
  • This propeller 2 is located in a cube which forms the control volume 3. at
  • the body 2 can either be the body to be examined itself or a three-dimensional model of the body to be examined. In any case, the volume of the body 2 is smaller or smaller than the volume of the control volume 3.
  • FIG. 2 b indicates the laser cuts produced for the control volume 3 by a laser 5.
  • the propeller 2 located in the control volume 3 is driven, for example, by a motor and is impinged by air 4, to which scattering particles are added.
  • the setting angle of the propeller blades or the rotational speed of the rotating propeller can be changed.
  • the flow rate of the inflowing fluid 4 can be varied to examine the behavior of the body 2 for different wind speeds.
  • FIG. 3 shows a simple flow chart of a possible embodiment of the method according to the invention for determining a force F acting on a body 2.
  • the body 2 to be examined is first arranged in a predetermined control volume 3 of a flow channel.
  • the pressure sensor 11 detects a pressure distribution p (x, y) for each boundary surface bounding the control volume 3.
  • p a pressure distribution for each boundary surface bounding the control volume 3.
  • Step S2 detected.
  • the force acting on the body 2 is calculated by the calculation unit 10 as a function of the pressure distributions and speed vectors detected for the boundary surfaces of the control volume and output to a user via an interface.
  • the size or the volume of the control volume 3 is adjustable in a possible execution form of the method according to the invention. The larger the control volume 3, the lower the contribution of the forces detected by the pressure sensor 11, so that rapidly changing unstable forces, such as, for example, turbulences, can be detected more easily.
  • symmetries of the body 2 can also be taken into account in order to reduce the number of boundary surfaces of the control volume 3 to be evaluated or the amount of data to be evaluated. For example, in order to investigate the behavior of a single propeller, which is flowed symmetrically, only the data of the downstream side of the propeller arranged boundary surface and the data of a side surface. In addition, the data of the front of the propeller arranged boundary surface can be evaluated. Taking into account the symmetry, the extent of the data to be evaluated can thus be halved.
  • the system 1 according to the invention makes it possible to examine the body 2 subjected to it with regard to its forces F (t) by indirect measurement at boundary surfaces of a control volume 3. Since the control volume 3 spans the body 2 at a certain distance and the measurement takes place indirectly, the forces acting on the body 2 are not influenced by the measurement itself, ie with the measuring system 1 according to the invention it is possible to measure the real distribution of forces on the body 2 accurately without adulteration. In addition, in the case of the invention In accordance with the measurement system 1, no sensors are attached to the body 2 itself, so that the technical outlay for obtaining measured data, in particular in the case of rapidly rotating bodies 2, in the measuring system 1 according to the invention is low. As a result of the measuring system 1 according to the invention, as shown in FIG.
  • the measuring system 1 for example, it is possible not only to visualize the forces and torques acting on the body 2 to be examined, but also to visualize the influence of the flow thereon.
  • the measurement system 1 according to the invention also makes it possible to investigate temporal changes in the forces and torque distributions, ie it is also possible to detect dynamic force changes F (t) or torque changes when parameters, such as the approach velocity, are changed.
  • the inventive measuring system 1 is extremely flexible because the control volume 3 is virtual and the coordinates of its boundary surfaces can be easily adapted to the shape and size of the body 2 to be examined.
  • further measurement parameters can be set, such.
  • the frequency of the laser light and the resolution of the cameras 6A, 6B are adjustable.
  • the density or type of fluid 4 is selectable.
  • the measurement parameters allow the measurement to be optimally adapted to the body 2 to be examined and the selected analysis. Reference list

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung von auf einen Körper (2) einwirkenden Kräften mit einem innerhalb des Strömungskanals vorgesehenen Kontrollvolumens (3), in welchem der Körper (2) angeordnet ist. Eine erste Messeinrichtung (11) dient zur Erfassung einer Druckverteilung für jede das Kontrollvolumen (3) begrenzende Begrenzungsfläche. Eine zweite Messeinrichtung (5, 6A, 6B) erfasst ein Geschwindigkeitsfeld für jede Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens (3). Ferner ist eine Berechnungseinheit (10) zur Berechnung der auf den Körper (2) einwirkenden Kräfte (F) in Abhängigkeit von dem für die Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens (3) erfassten Druckverteilungen und Geschwindigkeitsfeldern vorgesehen.

Description

Verfahren und System zur Bestimmung einer auf einen Körper einwirkenden Kraft
Zur Untersuchung von aerodynamischen und aeroakustischen Eigenschaften von Objekten werden diese oder maßstabsgerechte dreidimensionale Modelle der zu untersuchenden Objekte in einem Windkanal bzw. Strömungskanal platziert. Beispielsweise werden Modelle von Flugzeugen oder sonstigen Fahrzeugen in einem Strömungskanal angeordnet und der Strömung eines Fluids, beispielsweise einem Luftstrom, ausgesetzt. Neben der Untersuchung von Fahrzeugmodellen kann ein Strömungskanal auch zur Untersuchung von Gebäuden eingesetzt werden. Dabei wird ein dreidimensionales Modell eines Bauwerkes, beispiels- weise eines Hochhauses oder einer Brücke, in dem Windkanal angeordnet und einer Luftströmung ausgesetzt.
Aufgrund des begrenzten Durchmessers eines Strömungskanals können Objekte nur selten in Originalgröße in dem Strömungs- kanal untersucht werden. Daher werden von großen Objekten meist maßstabsgerechte dreidimensionale Modelle erstellt und zur Untersuchung des Strömungsverhaltens des Objekts in dem Strömungskanal angeordnet.
Bei Körpern, insbesondere bei Flugzeugen, ist es zur Untersuchung von deren aerodynamischen Verhalten wichtig, die auf den Körper einwirkenden Kräfte zu erfassen, um Eigenschaften des Körpers zu verifizieren bzw. Verbesserungen an Bauteilen bzw. der Struktur des Körpers vornehmen zu können.
Bei herkömmlichen Messsystemen erfolgt die Kräftemessung der auf den Körper einwirkenden Kräfte statisch, beispielsweise mittels sog. Windkanalwaagen. Bei derartigen Messsystemen erfolgt die Kraftmessung durch die Windkanalwaagen direkt, wo- bei Mittelwerte der auf den Körper einwirkenden Kräfte durch die Windkanalwaage gemessen werden. Diese herkömmlichen Systeme zur Bestimmung einer auf einen Körper einwirkenden Kraft haben verschiedene Nachteile. Zum einen werden durch die Windkanalwaage nur Mittelwerte der auf den Körper einwirkenden Kraft gemessen und keine Zeitverläu- fe, d. h. es erfolgt lediglich eine statische Kraftmessung und keine dynamische Kraftmessung. Darüber hinaus ist ein herkömmliches System zur Bestimmung einer Kraft mit einer Windkanalwaage für einige Komponenten bzw. Bauteile eines Körpers ungeeignet. Zur Kraftmessung von Kräften, die auf ei- nen rotierenden Körper eines Flugzeugs einwirken, beispielsweise auf einen Propeller, muss eine Windkanalwaage an die rotierende Baukomponente bzw. das rotierende Bauteil angebracht werden. Dies ist nur mit erheblichem technischem Aufwand möglich. Darüber hinaus verfälschen die bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte das Messergebnis .
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die auf einen beliebigen Körper einwirkenden Kräfte genau und mit relativ geringem technischen Aufwand erfasst.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung von auf einen Körper einwirkenden Kräften mit den Schritten:
(a) Anordnen des Körpers in einem vorgegebenen Kontrollvolumen innerhalb eines Strömungskanals;
(b) Erfassen einer Druckverteilung und eines Geschwindigkeitsfeldes für jede das Kontrollvolumen begrenzende Begrenzungs fläche; und
(c) Berechnen der auf den Körper einwirkenden Kräfte in Abhängigkeit von den für die Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens erfassten Druckverteilungen und
Geschwindigkeitsfeldern. Bei einer Ausführungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Geschwindigkeitsfelder für die Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens optisch erfasst.
Die optische Erfassung eines Geschwindigkeitsfeldes bietet den Vorteil, dass bei der Messung die auf den Körper einwirkende Strömung durch die Messung nicht beeinflusst wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Geometrie und Größe des Kontrollvolumens in einfacher Weise flexibel an die räumlichen Dimensionen des zu untersuchenden Körpers ange- passt werden können.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Körper in dem Strömungskanal einer Strömung eines Fluids ausgesetzt, das Streupartikel enthält.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels Laserlicht für die Begrenzungsflächen des Kon- trollvolumens jeweils ein Laserschnitt zur Erfassung einer Partikelverteilung der Streupartikel an der jeweiligen Begrenzungsfläche erfasst.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Laserlicht durch einen gepulsten Laser erzeugt.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Partikelverteilung der Streupartikel mittels mindestens zweier Kameras erfasst.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die mit den Kameras erfassten Partikelverteilungen als Bilder in einem Speicher zwischengespeichert.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Druckverteilungen für die Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens mittels mindestens eines Drucksensors er- fasst, der in einer oder in mehreren der Begrenzungsflächen frei bewegbar ist.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Kreuzkorrelation der erfassten Partikelverteilungen ein lokaler Partikelversatzvektor berechnet.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf Grundlage der Partikelversatzvektoren ein Geschwindigkeitsvektor des Geschwindigkeitsfeldes berechnet.
Bei einer Aus führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine auf den Körper einwirkende Kraft F bzw. Kraftver- teilung wie folgt berechnet:
' PV-dS)/ +§pdS
wobei
V ein Geschwindigkeitsvektor,
S eine Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens, p ein erfasster Druck und p die Dichte des Strömungsfluids ist.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kontrollvolumen durch einen Kubus bzw. Quader mit sechs Begrenzungsflächen gebildet.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verlaufen die Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens zueinander orthogonal . Dies hat den Vorteil, dass die Auswertung der an den Begrenzungsflächen erfassten Daten ohne Umrechnung der Koordinaten erfolgen kann.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kontrollvolumen durch einen Tetraeder mit vier Begrenzungs flächen gebildet.
Ein Tetraeder als Kontrollvolumen hat den Vorteil, dass die Anzahl der auszuwertenden Begrenzungsflächen minimal ist.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zeitliche Verlauf der auf den Körper einwirkenden Kraft F(t) bzw. die Kraftverteilung dynamisch in Abhängigkeit von den momentanen Druckverteilungen und Geschwindigkeitsfeldern bestimmt.
Die Erfindung schafft ferner ein System mit den in Patentanspruch 16 angegebenen Merkmalen.
Die Erfindung schafft ein System zur Bestimmung mindestens einer auf einen Körper einwirkenden Kraft mit:
(a) einem innerhalb eines Strömungskanals vorgesehenen Kontrollvolumen, in welchem der Körper angeordnet ist;
(b) einer ersten Messeinrichtung zur Erfassung einer Druckverteilung für jede das Kontrollvolumen be- grenzende Begrenzungsfläche;
(c) einer zweiten Messeinrichtung zur Erfassung eines Geschwindigkeitsfeldes für jede Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens; und mit (d) einer Berechnungseinheit zur Berechnung der auf den Körper einwirkenden Kraft F in Abhängigkeit von den für die Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens er- fassten Druckverteilungen und Geschwindigkeitsfel- dern .
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die erste Messeinrichtung mindestens einen Drucksensor auf, der in einer oder mehreren Begrenzungsflächen bzw. Be- grenzungsebenen des Kontrollvolumens bewegbar ist.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt die zweite Messeinrichtung für jede Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens einen Laserschnitt zur Erfassung einer Partikelverteilung von Streupartikeln in der Begrenzungsfläche .
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems weist die zweite Messeinrichtung mindestens einen gepulsten Laser und mindestens zwei Kameras auf.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist die Kamera eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera.
Bei einer Aus führungsform des erfindungsgemäßen Systems ist der Körper ein dreidimensionales Modell, dessen Körpervolumen kleiner als das Kontrollvolumen ist.
Die Erfindung schafft ferner ein Computerprogramm mit Pro- grammbefehlen zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung mindestens einer auf einen Körper einwirkenden Kraft, das in einem Strömungskanal angebracht ist und mit einem Fluid angeströmt wird, wobei das Computerprogramm die folgenden Schritte aufweist: Erfassen einer Druckverteilung und eines Geschwindigkeitsfel- des des für jede das Kontrollvolumen begrenzende Begrenzungsfläche; und
Berechnen der auf den Körper einwirkenden Kraft F in Abhängigkeit von den für die Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens erfassten Druckverteilungen und den erfassten Geschwindigkeitsfeldern.
Die Erfindung schafft ferner einen Datenträger zum Speichern eines derartigen Computerprogramms .
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren zur Erläuterung erfindungswesentlicher Merkmale beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung einer auf einen Körper einwirkenden Kraft;
Fig. 2a, 2b Diagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer auf einen Körper einwirkenden Kraft;
Fig. 3 ein einfaches Ablaufdiagramm zur Darstellung einer möglichen Aus führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer auf einen Körper einwirkenden Kraft.
Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, befindet sich bei einem erfindungsgemäßen Messsystem 1 ein Körper 2 innerhalb eines Kontrollvolumens 3, das in einem Strömungs- bzw. Windkanal vorgesehen ist. Bei dem Körper 2 kann es sich um einen beliebigen Körper handeln, insbesondere um ein dreidimensionales Modell. Das dreidimensionale Modell modelliert beispielsweise ein Luftfahrzeug oder ein Bauteils eines Luftfahrzeugs. Bei dem Körper 2 kann es sich auch um andere zu untersuchende Körper handeln, beispielsweise um ein Kraftfahrzeug oder um das Modell eines zu untersuchenden Gebäudes. Der zu untersuchende Körper 2 befindet sich in einem Kontrollvolumen, d. h. das Volumen bzw. die Größe des Körpers 2 ist kleiner als das Kontrollvolumen 3. Das Kontrollvolumen 3 innerhalb des Strömungskanals ist ein geschlossenes Volumen und weist mehrere Begrenzungsflächen auf. Die Geometrie des Kontrollvolumens 3 kann in Abhängigkeit von der Geometrie des zu untersuchenden Körpers 2 gewählt werden. Die Koordinaten der Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens sind vorzugsweise zur Ansteuerung von Messeinrichtungen in einem Speicher abgelegt. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform wird das Kontrollvolumen 3 durch einen Kubus bzw. Quader gebildet, dessen Begren- zungsflächen zueinander orthogonal ausgerichtet sind. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das Kontrollvolumen 3 durch einen Tetraeder mit vier Begrenzungsflächen gebildet. Die Geometrie und die Dimensionen des Kontrollvolumens 3 sind flexibel an die Form und Größe des zu untersuchenden Körpers 2 anpassbar.
Der in dem Kontrollvolumen 3 befindliche zu untersuchende Körper 2 wird in dem Strömungskanal der Strömung eines beliebigen Fluids 4 ausgesetzt. Bei dem Fluid 4 kann es sich bei- spielsweise um ein Gas oder um eine Flüssigkeit handeln. In vielen Fällen wird das Strömungsfluid 4 durch Luft gebildet. Dabei erzeugt ein oder mehrere Gebläse eine Luftströmung, die auf den Körper 2 gerichtet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dem Fluid 4 Streupartikel hinzugefügt, die Licht, insbesondere Laserlicht, reflektieren. Bei einer möglichen Aus führungsform kann die Größe bzw. der Durchmesser der Streupartikel verändert werden.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen MessSystems 1, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist für jede Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens 3 ein Laser 5 vorgesehen, der ein gepulstes Laserlicht mit einstellbarer Lichtintensität erzeugt. Mittels des Laserlichts wird für jede Begren- zungsfläche des Kontrollvolumens 3 jeweils ein Laserschnitt zur Erfassung einer Partikelverteilung der Streupartikel in der jeweiligen Begrenzungsfläche erfasst.
Bei einer alternativen Ausführungs form ist die Anzahl der La- serlichtquellen bzw. der Laser 5 geringer als die Anzahl der das Kontrollvolumen 3 umschließenden Begrenzungsflächen. Bei dieser Ausführungsform wird mittels optischer Einrichtungen, beispielsweise mittels Linsen und Spiegeln, für jede Begrenzungsfläche ein Laserschnitt erzeugt, wobei das Laserlicht durch einen gemeinsamen Laser 5 generiert wird. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems 1 ist die Zeitperiode bzw. die Frequenz des gepulsten Laserlichts einstellbar.
Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, weist das erfindungsgemäße Messsystem 1 ferner mindestens zwei Kameras 6A, 6B auf, die für jede Begrenzungsfläche die Partikelverteilung der Streupartikel optisch erfassen. Bei den Kameras 6A, 6B kann es sich beispielsweise um CCD- (Charge-Coupled-Device) Kameras oder um CMOS-Kameras handeln. Die von den Kameras 6A, 6B er- fassten Partikelverteilungen für die jeweilige Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens 3 können als Bilder in einem Speicher 7 einer Datenverarbeitungsvorrichtung 8 zwischengespeichert werden. Die Steuerung des Lasers 5 und der Kameras 6A, 6B erfolgt durch eine Synchronisiersteuerung bzw. einen Synchronizer 9. Mittels der Kameras βa, 6b wird ein örtlicher Versatz von vielen Streupartikeln, die der Strömung des Fluids 4 schlupffrei folgen, aufgenommen, indem eine Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens in der Strömung mit zwei sehr kurzen Lichtimpulsen durch den Laser 5 beleuchtet wird. Die Dauer der Lichtimpulse kann von wenigen Nanosekunden bis zu einigen Mikrosekunden reichen. Die durch die Kameras 6A, 6B erfassten Partikelverteilungen werden als Bilder in dem Speicher 7 zwischengespeichert und anschließend durch eine Berechnungseinheit 10 ausgewertet. Durch Kreuzkorrelation der erfassten Partikelverteilungen wird durch die Berechnungseinheit 10 ein lokaler Partikelversatzvektor errechnet. Auf der Grundlage der Partikelversatzvektoren werden Geschwindigkeitsvektoren V eines Geschwindigkeitsfeldes für jede das Kontrollvolumen 3 umschließende Begrenzungsfläche berechnet. Darüber hinaus empfängt die Berechnungseinheit 10 Daten bzw. Messsignale von einem Drucksensor 11. Der Drucksensor 11 ist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform in einer oder mehreren der Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens 3 bewegbar und erfasst eine Druckverteilung in den jeweiligen Be- grenzungsflächen des Kontrollvolumens 3. Beispielsweise wird der Drucksensor 11 in einer Ebene entsprechend der gespeicherten Koordinaten der Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens 3 durch einen angesteuerten Motor bewegt. Der Drucksensor 11 misst eine statische Druckverteilung in der Begren- zungsfläche in einem vorgegebenen Raster von Messpunkten. Der Drucksensor 11 bildet eine erste Messeinrichtung zur Erfassung einer Druckverteilung für jede das Kontrollvolumen 3 begrenzende Begrenzungsfläche. Der Laser 5 und die zugehörigen Kameras 6A, 6B bilden eine zweite Messeinrichtung zur Erfas- sung eines Geschwindigkeitsfeldes für jede Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens 3. Dabei erzeugt die zweite Messeinrichtung für jede Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens 3 einen Laserschnitt zur Erfassung der Partikelverteilung von Streupartikeln an der Begrenzungsfläche. Die Auflösung bzw. das Raster der Messpunkte zur Ermittlung der Druckverteilung und des Geschwindigkeitsfeldes ist vorzugsweise einstellbar. Die Berechnungseinheit 10 berechnet die auf den Körper 2 einwirkende Kraft F dynamisch in Abhängigkeit von dem für die Begrenzungs flächen des Kontrollvolumens 3 erfassten Druckverteilungen und in Abhängigkeit von den Geschwindigkeitsvekto- ren V an den verschiedenen Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens 3.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 1 erfolgt die Berechnung einer auf den Körper 2 einwirkenden Kraft F(t) mittels folgender Gleichung:
Figure imgf000013_0001
wobei
V ein Geschwindigkeitsvektor,
S eine Begrenzungsfläche des Kontrollvolumens 3, p ein an der Begrenzungsfläche erfasster Druck und p die Dichte des Strömungsfluids 4 ist.
Aus den Geschwindigkeiten und Drücken auf den Kontroll- und Begrenzungsflächen lassen sich drei Kräfte und drei Drehmomente bestimmen.
Die Berechnungseinheit 10 kann beispielsweise durch einen oder mehrere Mikroprozessoren gebildet werden, die die von den Messeinrichtungen gelieferten Daten in Echtzeit auswerten und die Ergebnisse über eine Nutzerschnittstelle ausgeben.
Fig. 2a, 2b zeigen ein einfaches Beispiel zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer auf einen Körper 2 einwirkenden Kraft F. Bei dem in Fig. 2a dargestellten Beispiel handelt es sich um einen rotierenden Körper 2, insbesondere um einen Propeller. Dieser Propeller 2 befindet sich in einem Kubus, der das Kontrollvolumen 3 bildet. Bei dem Körper 2 kann es sich entweder um den zu untersuchenden Körper selbst handeln oder um ein dreidimensionales Modell des zu untersuchenden Körpers. In jedem Fall ist das Volumen des Körpers 2 geringer bzw. kleiner als das Volumen des Kon- trollvolumens 3.
Fig. 2b deutet die für das Kontrollvolumen 3 durch einen Laser 5 erzeugten Laserschnitte an. Der in dem Kontrollvolumen 3 befindliche Propeller 2 wird beispielsweise durch einen Mo- tor angetrieben und durch Luft 4, der Streupartikel beigemischt wird, angeströmt. Zur Untersuchung des Verhaltens des rotierenden Körpers 2 bzw. des Propellers kann beispielsweise der Anstellwinkel der Propellerblätter oder die Umdrehungsgeschwindigkeit des rotierenden Propellers verändert werden. Weiterhin kann die Strömungsgeschwindigkeit des anströmenden Fluids 4 verändert werden, um das Verhalten des Körpers 2 für verschiedene Windgeschwindigkeiten zu untersuchen.
Fig. 3 zeigt ein einfaches Ablaufdiagramm eines möglichen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer auf einen Körper 2 einwirkenden Kraft F.
Nach einem Startschritt SO wird der zu untersuchende Körper 2 zunächst in einem vorgegebenen Kontrollvolumen 3 eines Strö- mungskanals angeordnet. Sobald sich der Körper 2 in dem Kontrollvolumen 3 befindet, wird durch den Drucksensor 11 eine Druckverteilung p(x,y) für jede das Kontrollvolumen 3 umgrenzende Begrenzungsfläche erfasst. Gleichzeitig wird für jede begrenzende Fläche des Kontrollvolumens 3 ein Geschwindig- keitsfeld mit Hilfe des Lasers 5 und der Kameras 6A, 6B im
Schritt S2 erfasst. In einem weiteren Schritt S3 wird die auf den Körper 2 einwirkende Kraft in Abhängigkeit von den für die Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens erfassten Druckverteilungen und Geschwindigkeitsfeidern durch die Berech- nungseinheit 10 berechnet und über eine Schnittstelle an einen Nutzer ausgegeben. Die Größe bzw. das Volumen des Kontrollvolumens 3 ist bei einer möglichen Ausführungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellbar. Je größer das Kontrollvolumen 3 ist, desto geringer ist der Beitrag der durch den Drucksensor 11 erfass- ten Kräfte, so dass sich schnell verändernde instabile Kräfte, wie beispielsweise Verwirbelungen, leichter erfassen lassen.
Auf Grundlage der an den Begrenzungs flächen bzw. Kontrollflä- chen des Kontrollvolumens 3 auftretenden Geschwindigkeiten können unabhängig die Kräfte und Drehmomente berechnet werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform können auch Symmetrien des Körpers 2 berücksichtigt werden, um die Anzahl der auszuwertenden Begrenzungsflächen des Kontrollvolumens 3 bzw. die Menge der auszuwertenden Daten zu verringern. Beispielsweise benötigt man zur Untersuchung des Verhaltens eines einzelnen Propellers, der symmetrisch angeströmt wird, lediglich die Daten der in Strömungsrichtung hinter dem Propeller angeordneten Begrenzungs fläche und die Daten einer Seitenfläche. Darüber hinaus können die Daten der vor dem Propeller angeordneten Begrenzungsfläche ausgewertet werden. Unter Berücksichtigung der Symmetrie kann somit der Umfang der auszuwer- tenden Daten halbiert werden.
Das erfindungsgemäße System 1 ermöglicht eine Untersuchung des angeströmten Körpers 2 hinsichtlich seiner auf ihn einwirkenden Kräfte F(t) durch indirekte Messung an Begrenzungs- flächen eines Kontrollvolumens 3. Da das Kontrollvolumen 3 den Körper 2 in einem gewissen Abstand umspannt und die Messung indirekt erfolgt, werden die auf den Körper 2 einwirkenden Kräfte durch die Messung selbst nicht beeinflusst, d. h. mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 ist es möglich, die realen Kräfteverteilungen an dem Körper 2 ohne Verfälschung genau zu messen. Darüber hinaus müssen bei dem erfindungsge- mäßen Messsystem 1 an dem Körper 2 selbst keine Sensoren angebracht werden, so dass der technische Aufwand zur Gewinnung von Messdaten, insbesondere bei schnell rotierenden Körpern 2 bei dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 gering ist. Durch das erfindungsgemäße Messsystem 1, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist es einem Ingenieur möglich, zuverlässige Aussagen über das Verhalten des Körpers 2 unter verschiedenen Bedingungen zu treffen. Auf diese Weise kann der Nutzer, beispielsweise ein Ingenieur, das Strömungsverhalten eines Kör- pers 2 aufgrund der Analyseergebnisse optimieren. Mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 kann man beispielsweise nicht nur die Kräfte und Drehmomente, die auf den zu untersuchenden Körper 2 wirken, sondern auch den Einfluss der Strömung hierauf visualisieren. Das erfindungsgemäße Messsystem 1 erlaubt es zudem, zeitliche Veränderungen der Kräfte und Drehmomentverteilungen zu untersuchen, d. h. es können auch dynamische Kraftveränderungen F(t) bzw. Drehmomentveränderungen bei Änderung von Parametern, wie beispielsweise der Anströmgeschwindigkeit, erkannt werden. Weiterhin ist das erfindungs- gemäße Messsystem 1 äußerst flexibel, weil das Kontrollvolumen 3 virtuell ist und die Koordinaten seiner Begrenzungsflächen an die Form und Größe des zu untersuchenden Körpers 2 leicht angepasst werden können. Neben dem Kontrollvolumen 3 können weitere Messparameter eingestellt werden, wie z. B. die Anströmgeschwindigkeit des Fluids 4, die Konzentration der zugefügten bzw. beigemischten Streupartikel und deren jeweilige Größe. Ferner ist die Frequenz des Laserlichts und die Auflösung der Kameras 6A, 6B einstellbar. Darüber hinaus ist die Dichte bzw. Art des Fluids 4 wählbar. Durch die Mess- parameter kann die Messung optimal an die zu untersuchenden Körper 2 und die gewählte Analyse angepasst werden. B e z u g s z e i c h e n l i s t e
1 Messsystem
2 Körper 3 Kontrollvolumen
4 Fluidstrom
5 Laser
6A7 6B Kameras
7 Speicher 8 Datenverarbeitungseinheit
9 Synchronisiersteuerung
10 Berechnungseinheit
11 Drucksensor

Claims

Pa t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Bestimmung von auf einen Körper (2) einwirkenden Kräften mit den Schritten:
(a) Anordnen des Körpers (2) in einem vorgegebenen geschlossenen Kontrollvolumen (3) , das mehrere Begrenzungsflächen aufweist, innerhalb eines Strömungskanals ;
(b) Gleichzeitiges Erfassen einer Druckverteilung und eines Geschwindigkeitsfeldes für jede das geschlossene Kontrollvolumen (3) begrenzende Begrenzungsfläche; und
(c) Berechnen der auf den Körper (2) einwirkenden Kräfte (F) in Abhängigkeit von den für die Begrenzungs - flachen des geschlossenen Kontrollvolumens (3) gleichzeitig erfassten Druckverteilungen und Ge- schwindigkeitsfeidern.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Geschwindigkeitsfeider für die Begrenzungs flächen des geschlossenen Kontrollvolumens (3) optisch er- fasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , wobei der Körper (2) in dem Strömungskanal einer Strömung eines Fluids (4) ausgesetzt wird, das Streupartikel enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei mittels Laserlicht, das durch den gepulsten Laser (5) erzeugt wird, für die Begrenzungs flächen jeweils ein Laserschnitt zur Erfassung einer Partikelverteilung der Streupartikel in der jeweiligen Begrenzungsfläche er- fasst wird .
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei mit den Kameras (6A, 6B) erfasste Partikelvertei- lungen der Streupartikel als Bilder in einem Speicher (7) zwischengespeichert werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 - 5 , wobei die Druckverteilungen für die Begrenzungsflächen des geschlossenen Kontrollvolumens (3) mittels mindestens eines Drucksensors (11) erfasst werden, der in einer oder mehreren der Begrenzungsflächen bewegbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei durch Kreuzkorrelation der erfassten Partikelverteilungen ein lokaler Partikelversatzvektor berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , wobei auf Grundlage von Partikelversatzvektoren ein Geschwindigkeitsvektor des Geschwindigkeitsfeldes berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei eine auf den Körper (2) einwirkende Kraft (F) wie folgt berechnet wird:
F =§(/>!/ -ds)/ + §ρdS
wobei
V ein Geschwindigkeitsvektor,
S eine Begrenzungsfläche des geschlossenen Kontrollvolumens , p ein erfasster Druck und p die Dichte des Strömungsfluids ist.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis
9, wobei das geschlossene Kontrollvolumen (3) durch einen Kubus oder Quader mit sechs Begrenzungsflächen gebildet wird oder durch einen Tetraeder mit vier Begrenzungsflächen gebildet wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei der zeitliche Verlauf der auf den Körper (2) einwirkenden Kräfte (F) dynamisch in Abhängigkeit von den momentanen Druckverteilungen und Geschwindigkeitsfeidern bestimmt wird.
12. System zur Bestimmung von auf einen Körper einwirkenden Kräften mit:
(a) einem innerhalb eines Strömungskanals vorgesehenen geschlossenen Kontrollvolumens (3), in welchem der Körper (2) angeordnet ist;
(b) einer ersten Messeinrichtung (11) zur Erfassung ei- ner Druckverteilung für jede das geschlossene Kontrollvolumen (3) begrenzende Begrenzungsfläche;
(c) einer zweiten Messeinrichtung (5,6A, 6B) zur Erfassung eines Geschwindigkeitsfeldes für jede Begren- zungsfläche des geschlossenen Kontrollvolumens (3), wobei die erste und zweite Messeinrichtung die Druckverteilung und das Geschwindigkeitsfeld für jede Begrenzungsfläche des geschlossenen Kontroll¬ volumens (3) gleichzeitig erfasst; und mit (d) einer Berechnungseinheit (10) zur Berechnung der auf den Körper (2) einwirkenden Kräfte (F) in Abhängigkeit von den für die Berechnungsflächen des Kontrollvolumens (3) gleichzeitig erfassten Druck- Verteilungen und Geschwindigkeitsfeldern.
13. System nach Anspruch 12, wobei die erste Messeinrichtung (11) mindestens einen Drucksensor aufweist, der in einer oder mehreren Begren- zungsflächen des geschlossenen Kontrollvolumens (3) bewegbar ist.
14. System nach Anspruch 12, wobei die zweite Messeinrichtung (5,6A, 6B) für jede Be- grenzungsfläche des geschlossenen Kontrollvolumens (3) einen Laserschnitt zur Erfassung einer Partikelverteilung von Streupartikeln in der Begrenzungsfläche erzeugt .
15. System nach Anspruch 12, wobei der Körper (2) ein 3D-Modell ist, dessen Körpervolumen kleiner als das geschlossene Kontrollvolumen (3) ist.
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