Fluid Mechanics
Geschäftsbereiche der Dantec Dynamics Gruppe
• Imaging Systeme- Allgemeine Strömungsmessung - Verbrennungsdiagnostik- Partikelgrößen Bestimmung
• Fluid Dynamics - Luft- und Gasströmungsmessung- Thermischer Komfort- Strömungsmessung von Flüssigkeiten- Partikel Größenbestimmung
• Strain/Stress/Vibration- Dehnungs- und Spannungsmessungen- Vibrationsanalysen- Zerstörungsfreie Material- und Bauteilprüfung
Optimierung von Produktdesign und Verbrennungstechnik
Aerodynamik und Hydrodynamics
Optimierung von Materialien und Komponenten
Wissenschaftliche Tätigkeiten
Dienstleistungen & Beratung• Auftragsmessung und Beratungstätigkeit im
Bereich Fluid Mechanics
Experimental Fluid DynamicsCTA Systeme – Strömung und Turbulenzen
Technik für Punktmessungen in 1D,2D und 3D Gas- und Flüssigkeitsströmung.Besonders geeignet für Mikro-Struktur Untersuchungen.
- StreamLine CTA- MiniCTA
Welche Vorteile bietet die Hitzdrahtmesstechnik ?
• Großer Dynamikbereich von cm/s bis Überschall
• Hohe Genauigkeit - unter Laborbedingungen 1%
• Hohe zeitliche Auflösung bis 500 kHz
• Hohe räumliche Auflösung 5µm * 1mm
• Niedriger Druckabfall durch kleinen Sensor
• Kontinuierliches analoges Ausgangssignal
• 1D , 2D und 3D Messungen
• Mehrkanalmessungen
• Temperaturmessung
• Ein dünner Draht, montiert auf zwei parallelen Haltespitzen, wird der Strömung ausgesetzt.Wird ein elektr. Strom durch den Draht geleitet, heizt sich dieser auf (I²RW). Im Gleichgewichtszustand wird diese Wärmemenge in die Umgebung abgegeben (Konvektion).
Das Messprinzip I
• Ändert sich die Strömungsgeschwin- digkeit, ändert sich die Wärmeabfuhr und damit die Temperatur des Drahtes. Der Regelkreis regelt die Differenz aus.
Velocity U
Current I
Sensor (th in w ire)
Sensor d im ensions:length ~1 m mdiam eter ~5 m icrom eter
W ire supports (S t.S t. needles)
Das Messprinzip II
• Der Sensorwiderstand (Temperatur) wird durch den Regelkreis konstant gehalten
• Die Wärmeabfuhr ist u.a. abhängig von der anliegenden Strömung
Das Messprinzip III
• Die Ausgangsspannung über den Draht ist gegeben durch:
E2 = I2Rw2 = Rw(Rw - Ra)(A1 + B1Un)
oder Rw wird durch den Servoverstärker konstant gehalten durch:
E2 = A + BUn
E2 = Ausgangsspannung Rw = Warmwiderstand Ra = Kaltwiderstand A,B = Konstanten, abhängig vom Medium
U = Strömungsgeschwindigkeit n = Exponent , ca. 2-2,5 über 0,1<Re<105
1,6
1,8
2
2,2
2,4
5 10 15 20 25 30 35 40
U m/s
E V
olt
CTA Ausgang als f (U)
Sondentypen I
• Miniatur Draht SondePlatinierter Wolframdraht, 5 m Durchmesser, 1,2 mm Länge
• Vergoldete Drahtsonde Gesamtlänge 3 mm,
1,25 mm aktive Sensorlänge vergoldete Drahtenden
Vorteile:- Präzise definierte aktive Sensorlänge
- reduzierte Wärmeabfuhr in die Halterspitzen- gleichmäßige Temperaturverteilung längs des Drahtes- geringerer Einfluss der Sondenhalterung in der Strömung
Sondentypen II
• Filmsonden
Dünner Nickelfilm auf einem QuarzkörperZusätzliche Quarzschicht schütz vor Korrosion, Verschleiß, mechanischer Beschädigung,
elektrische Isolation
• Fiber-Film Sonden
Dünner Nickelfilm auf einem drahtähnlichen Quarzstab (70µm)
Sondentypen III
• X-Sonden für 2D Strömungen2 Sensoren senkrecht zueinander. Messwinkel ±45o.
• Split-Fiber Sonden für 2D Strömungen2 Filmsensoren gegenüberliegend auf einemQuarzzylinderMesswinkel ±90o.
• Triaxiale Sonde für 3D Strömungen3 Sensoren jeweils orthogonal zueinander. Messwinkel innerhalb 70o Konus.
Experimental Fluid DynamicsLDA Systeme – Strömung und Turbulenzen
Gut etablierte non-intrusive Punktmesssystemefür 1D, 2D oder 3DGeschwindigkeitserfassung von Gas- und Flüssigkeitsströmungen.
- FiberFlow LDA- FlowLite LDA- FlowExplorer LDA
Eigenschaften des LDA
• Berührungsloses Messen ohne Rückwirkung auf das Medium
• Absolutes Messverfahren
• Hohe Genauigkeit, da kein Einfluss durch Temperatur, Dichte, etc.
• Hohe zeitliche Auflösung bis mehrere kHz
• Hohe örtliche Auflösung durch kleines Messvolumen
• Physikalisch linearer Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Doppler-Signal
Das LDA Prinzip
Laser
Signal-verarbeitung
Sendeoptik Empfangsoptikmit Detektor
Signal-aufbereitung
Strömung
HeNeAr-IonNd:YAG Diode
Strahlteiler(Freq. Shift)Achrom. Linse
GasFlüssigk.Partikel
Achrom. LinseRäuml. FilterPhotomultiplierPhotodiode
SpektrumanalyseFFT-Prozessor
VerstärkerFilter
PC
Sendeoptiken
Laser
Bragg-zelle
BS
F
D E
D
DL
Linse
Grundmodule:
• Strahlteiler• Achromatische
Linsen
Optionen:
• Frequenzshift (Braggzelle)
– niedr. Geschw.– Strömungsrichtung
• Strahlaufweitung– Verkl. des
Messvolumens– Erhöhung der
Laserintensität
Strömung mit Partikeln
d (bekannt)
Geschwindigkeit = Weg/Zeit
t (gemessen)
Signal
Zeit
LaserBragg-zelle Rückstreulicht
Messvolumen
Detektor
Prozessor
Signalcharakteristiken
• ungefiltertes Signal
• gefiltertes Signal
LDA - Interferenzstreifenmodell
• Das Strahlenkreuz und das Schnitt- bzw. Messvolumen
• Ebene Wellenfronten
• Interferenz in der Ebene des fokussierten Schnittvolumens
• Hell-Dunkel Streifenmuster
• Partikel gleicher Geschwindigkeit ergeben gleiche Dopplerfrequenz unabhängig von der Bewegungsrichtung.
Richtungmehrdeutigkeit / Frequenzverschiebung
fmax
fshift
fmin
f
u
uminumax
umin umax
• Die Einbindung einer Frequenzverschiebung bewirkt eine konstante Bewegung des Interferenzstreifenfeldes
• Reversible Geschwindigkeiten und Geschwindigkeit Null werden erkannt
no shift shift
Frequenzverschiebung / Braggzelle
• Akusto-optischer Modulator
• Signalgenerator (typisch: 40 MHz)
• Frequenzerhöhung um die Shiftfrequenz
• Akustischer Absorber
Piezo-transducer
fs40 MHz
Absorber
Wellenfront
Laser
fL
fL + fS
LDA Fiber Flow LDA System
3D Messung um ein 1:5 Fahrzeugmodell in einem Windkanal
Mit freundlicher Genehmigung von Mercedes-Benz, Germany
Messung des Strömungsprofils in einem Rohr
Strömungsprofile einer turbulenten Strömung
Umströmung einer Schiffsschraube in einem Kavitationstank
Mit freundlicher Genehmigung der Universität Rostock, Germany
Wasserströmung in einem Pumpenmodell
Mit freundlicher Genehmigung der Grundfos A/S, DK
Strömungsmessung in einem Ventilmodell
Mit freundlicher Genehmigung der Westsächsische Hochschule Zwickau, Germany
Vergleich von EFD und CFD Ergebnissen
Strömungsfeld zwischen Kühler und Kondensator
LDA1-Mean [m/s]
2.0511.9771.9021.8271.7521.6771.6021.5281.4531.3781.3031.2281.1531.0781.004
Experimental Fluid DynamicsPDA Systeme - Partikel Charakterisierung
Berührungslose Analyse der Partikelgröße, Geschwindigkeit und Massenstrom von spherischen Partikeln
- FiberPDA Systeme- DualPDA Systeme
Das PDA Prinzip
X
Y
Detektor 1
Detektor 2
Streuebene
Strömung
Z
• Strahl Schnittwinkel
• Streuwinkel
• Höhenwinkel
• Polarisation (parallel oder senkrecht zur Streuebene)
• Form und Größe der Detektorblende
Optische Parameter für einen PDA-Aufbau:
Streuformen
-2
Brechnung 1. Ordnung
-1
1
2
-2 -1 1 2
Incident ray
Reflektion
Brechung 2. Ordnung
3. Ordnung
4. Ordnung
5. Ordnung
6. Ordnung
7. Ordnung
8. Ordnung
np
nm
np > nm
Die Intensität des Einfallstrahls wird teilweise reflektiert und gebrochen.
Das Intensitätsverhältnis ist durch die Fresnel-Koeffizienten gegeben und hängt vom Einfallwinkel, der Polarisation und dem relativen Brechungsindex.
Der Streuwinkel ergibt sich durch das Snelliussche Gesetz
Die Phase ergibt sich durch die optische Pfadlänge des Strahls.
Der Großteil der Intensität ist in den ersten drei Streumodi enthalten.
HiDense PDA
HiDense PDA ist eine Komplettlösung:
• FiberFlow Sonde mit Argon Laser
• HiDense PDA Sonde mit Slit Selector
• BSA P80 Prozessor mit großem Geschwindigkeitsbereich
• BSA Flow Software
PDA und Ultra-Dense-Sprays
• Herausforderungen:
– Mitte des Sprays erreichen
– Hohe Geschwindigkeits-schwankungen
– Kleine Partikel
• Anforderungen
– Kleine Abmessung der Sonde
– Hohe Laserleistung
– Erweiterte Signalverarbeitung
Mit freundlicher Genehmigung von Lotus Engineering
Treibstoffeinspritzung bei Automobilen
Photo: AVL, Graz, Austria
Treibstoffeinspritzung bei Flugzeugmotoren
Photo: DLR, Institut für Antriebstechnik, Köln, Germany
Düsendesign
Photo: Gustav Schlick GmbH & Co., Untersiemau, Germany
Partikel Größenbestimmung Kombinationen
Beispiele:
• HiDense Sprays
– PDA
– High speed flächenhafte Darstellung
• Spray
– PDA
– High speed Schattengrößenbestimmung
• Treibstoffeinspritzung
– PDA
– Mie/LIF Systeme
Shadow images of sprays
Dr. Tropea, Sales meeting
VisualShadow size
PDA Calibrate LIF data from Formula 1 engine injection nozzle
Experimental Fluid DynamicsPIV Produkt Familie
Komplettes Angebot von Flächenmesssystemen für 2D- und 3D-Anwendungen:
- 2D und 3D Standard PIV- 2D und 3D TR-PIV - Verstärkte Kameras - NanoSense Technologie - µPIV and µLIF- LII- Mie/LIF Technik- Schattentechnik
Was ist Particle Image Velocimetry?
• Mit PIV kann man unmittelbar Strömungsgeschwindigkeiten in einer Ebene messen.
• Mit den klassischen CTA- und LDA-Messverfahren kann man Strömungsgeschwindigkeiten in einem Punkt und über einen Zeitraum hinweg messen.
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
Time
m/s
PIV – Was wird benötigt?
• Das Messverfahren in einfachen Schritten
– Die Strömung wird mit Partikeln versehen („Seeding“)
– Das Messfeld wird beleuchtet
– Die Kamera macht zwei Bildaufnahmen
– Das Bild wird ausgewertet
Synchronisierung von gepulsten Lasern
Q-Switch 1
Blitzlampe 2
Q-Switch 2
Blitzlampe 1
Freilauf
Doppel-Cavity Pulslaser mit Q-Switch
Testlampe
Cavity 1
Cavity 2
Synchronisations-einheit
Räumliche Auflösung
Pixel
LLintint
LMint
Abfrageraster
Räumliche Auflösung im Strömungsfeld
Gute Kreuzkorrelation
Strömungen um einen LKW-Außenspiegel
• Messung im 1:1 Windkanal
Nd:YAG Laser
Lichtschnitt- optik
FlowSense Kamera
Wand mit Schlitzen
Ansicht von oben
LKW
Außenspiegel an der Fahrerseite
Nd:YAG Lichtschnitt
4m
Niedrige Strömungs-geschwindigkeit10 - 20 m/Sek.
Rauch- generator
Stromauf-wärts Position
Stromabwärts Position
• Messposition:Stromaufwärts
• Freie Strömung:10 m/Sek.
• Rauchpartikel
LKW Spiegel
16 x 16 cm
Fläche
• Messposition:Stromabwärts
• Freie Strömung:10 m/Sek.
• Rauchpartikel
LKW
Spiegel
16 x 16 cm
Fläche
PIV-Anwendung für Komfortdesign
Model in Air Messungen von der HSVA Hamburg / Airbus Bremen
Entstehung der Randwirbel
Vektor Feld Wirbel
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Vektor Feld und Geschwindigkeitsverteilung
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Wirbelbeide Vortex
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Solid Mechanics
Wir liefern innovative Lösungen für
• Dehnungs- und Spannungs-Analysen
• Vibrationsmesstechnik
• Zerstörungsfreies Prüfen
NDT/NDI
Dantec Dynamics repräsentiert die Kompetenzen der Gruppe bei Material-, Komponenten- und Oberflächenmessungen im elastischen Bereich
–Berührungsfrei
–Flächenmessung
–3D
Für jede Anwendung das geeignete Messsystem
Dehnungs- Spannungs- Analyse
Vibrations-Analyse
Zerstörungsfreie Qualitätsprüfung
Q-100 Q-300 Q-400
Q-500 Q-600
Q-800
Innovative Technologie – Weltweit angewandt!Automobil Luft- und Raumfahrt Weitere