LEHRSTUHL

STRÖMUNGSMECHANIK UND

STRÖMUNGSTECHNIK

Verantwortlich: Dr. Katharina Zähringer

Messtechnik   Windkanal   Wasserkanal  3D-Drucker  Strömungskanäle   Verbrennungslabor   Rheologielabor          

Messtechnik

Der Lehrstuhl verfügt über eine Vielzahl von optischen und klassischen Messsystemen, um, je nach Anwendungsfall, Messungen in den verschiedensten räumlichen und zeitlichen Auflösungen durchführen zu können. Insbesondere stehen zur Verfügung:

• Tomographische Particle-Image-Velocimetry Systeme (High-Speed Tomo-PIV und Tomo-PIV):

  Die tomographische PIV erlaubt die Messung von dreidimensionalen (3D3C) Geschwindigkeitsfeldern. Dazu wird der Messort als vollständiges Volumen beleuchtet und mit mehreren Kameras aus verschiedenen Winkeln die Tracerpartikelbewegung aufgenommen. Aus den verschiedenen Ansichten kann dann die Bewegung im Volumen berechnet werden. Zwei Systeme stehen zur Verfügung: (1) ein Hochgeschwindigkeitssystem mit Kameras mit einer Bildrate von 1400 Hz bei voller Auflösung und einem Hochgeschwindigkeits-Nd:YLF-Laser oder gepulsten LED-Panelen zur Erzeugung der Volumenbeleuchtung; (2) das zweite System besteht aus 4 sCMOS Kameras mit einer Bildrate von 50 Hz und einem Nd:YAG-Laser, der bei 266nm, 355nm und 532nm betrieben werden kann. Dies erlaubt die Verwendung von fluoreszierenden Tracerpartikeln und somit auch das Messen in komplizierten Geometrien, in denen sonst zu viele Reflexionen auftreten würden.

  High-speed Tomo-PIV in einer Blasensäule	Tomo-PIV in einem Wendelreaktor

   

• Hochgeschwindigkeitsmesssystem für laser-induzierte Fluoreszenz (LIF), Stereo-Particle Imaging Velocimetry (stereo-PIV) und Farb-Particle-Tracking-Velocimetry (Farb-PTV):

  Das System besteht aus 2 Hochgeschwindigkeits-Farbkameras, Bildverstärker, Hochgeschwindigkeitslaser und entsprechender Software zur Steuerung und Auswertung. Die Farbkameras erlauben, bei einer Auflösung von 2016 x 2016 Pixeln eine Aufnahmerate von 1102 Bildern/s, bei geringerer Auflösung bis zu 4500 Bildern/s. Bei dem zugehörigen Laser handelt es sich um einen Nd:YLF-Laser mit einer maximalen Energie von 30 mJ/P und einer maximalen Pulsrate von 20 kHz. Das System erlaubt durch entsprechende Anordnung der zwei Kameras die Durchführung von Stereo-PIV Messungen zur Bestimmung der drei Geschwindigkeitskomponenten (2D3C). Durch die Farbinformation können bei PTV-Messungen, unter Verwendung verschiedenfarbiger Partikel, höhere Partikeldichten ausgewertet werden, als dies üblicherweise bei PTV der Fall ist. So kann ein detaillierteres Bild der Strömungsverhältnisse erhalten werden. Für LIF steht ein Bildverstärker zur Verfügung, durch den auch bei geringen Lichtintensitäten, Messungen von Skalaren vorgenommen werden können.
  

  High-Speed-PIV in einer Blasensäule

• Mikro-Particle Image Velocimetry (µ-PIV)

  Dieses System erlaubt die Messung von Geschwindigkeitsfeldern (2D/3C) in sehr kleinen Kanälen. Ein Stereomikroskop ist dazu mit 2 Kameras und einer Lasereinkopplung ausgestattet. Die Beleuchtung erfolgt in diesem Fall als Volumenbeleuchtung. Die Auswahl der Messebene ergibt sich über die Einstellung der Schärfentiefe der Kamera/Mikroskop-Kombination.
  

  µ-PIV-System mit Stereomikroskop

• Particle Image Velocimetry (PIV):

  Mehrere Systeme zur Messung von 2D/2C Geschwindigkeitsfeldern (10Hz) oder mittels stereo-PIV von 2D/3C Feldern.
  

  Stereo-PIV in einem Aneurysma Modell

• Particle Tracking Velocimetry (PTV):

  Zusätzlich zum oben genannten High-Speed-PIV-PTV System stehen drei Hochgeschwindigkeitsfarbkameras (bis zu 500 Bilder pro Sekunde @ 1280 x 1024 px²) für stereoskope Aufnahmen und vier Halogenstrahler bzw. LEDs für die Ausleuchtung für PTV-Messungen zur Verfügung. Eigens entwickelte Software ermöglicht dreidimensionales Tracking von Partikeln in flüssigen und gasförmigen Strömungen.
  

• Laser-Induzierte Fluoreszenz (LIF):

  Für die Gasphasen-LIF kommen zwei intensivierte Kameras, Farbstofflaser und entsprechende Steuerungs- und Auswertesoftware zum Einsatz (siehe auch „Verbrennungslabor“). In der flüssigen Phase kann mittels Tracer-LIF die Verteilung skalarer Größen ermittelt werden (z.B. Konzentrationsverteilungen, Mischungscharakterisierung, Temperatur). Hierzu kommt am Lehrstuhl insbesondere auch das Verfahren der 2-Tracer-LIF zum Einsatz, das es erlaubt ein dynamisches Hintergrundbild mit aufzunehmen und somit z.B. Blasenschatten, oder die Mikro-Mischung zu berücksichtigen. Hochgeschwindigkeits-Messungen werden durch das oben genannte Hochgeschwindigkeits-Messsystem möglich, wofür auch ein Bildverstärker eingesetzt werden kann.
  

• Laser-Doppler-Anemometer sowie Phasen-Doppler-Anemometer:

  Verschiedene Systeme für ein- und zwei-Komponenten Messungen in Ein- und Zweiphasenströmungen. Diese sind mit unterschiedlichen Lasern ausgestattet: DPSS-Laser, Argon-Ionen-Laser; Halbleiterlaser; Nd:YAG-Laser.
  

  LDA-Messungen in einem divergenten, gasbeladenen Strömungskanal

• Shadowgrafie:

  Sie gestattet die Messung des äquivalenten Durchmessers kleiner Partikel oder Tropfen von 5 Mikrometer aufwärts. Auch für die Untersuchung von Koaleszenz-Phänomenen ist diese Methode sehr gut geeignet. Dazu wird ein aufgeweiteter Laserstrahl als Lichtquelle und eine mit einem Mikroskop verbundene Kamera verwendet. Mit Hilfe eines gepulsten Lasers lassen sich auch Geschwindigkeitsmessungen durchführen.
     

  Analyse von Tropfenkollision und -koaleszenz im Windkanal mittels Shadowgraphie
  

• Hitzdrahtanemometrie:

  Verschiedene Systeme zur Geschwindigkeitsmessung mittels Hitzdraht stehen zum Einsatz z.B. im Windkanal zur Verfügung.

Windkanal

Der rechnergesteuerte Windkanal Göttinger Bauart besitzt einen offenen oder geschlossenen Messabschnitt für Einphasen- (Luft) oder Zweiphasenströmungen (z.B. Luft/Wasser). Mittels Sprühlanzen wird hierbei die Strömung vor dem Messabschnitt mit Spray beaufschlagt. Abmessungen des Messabschnitts (HxBxL offen/geschlossen): 500x600x1100/1500 mm³. Drei Scheiben des geschlossenen Messabschnitts sind optisch zugänglich (400/450x500mm³). Strömungsgeschwindigkeit: ~0.3 bis über 50 m/s, Turbulenzgrad: unter 0.5 %. Eigenschaften des Sprays je nach verwendeten Einspritzköpfen: z.B. Sauter-Durchmesser um 50µm, Volumenstrom 50 l/h.

Windkanal mit offener Messstrecke (Download Prospekt)

Wasserkanal

Es handelt sich um eine offene hydraulische Prüfrinne mit geschlossenem Kreislauf und einem maximalen Volumenstrom von  575 l/s (2100 m³/h). Die Abmessungen der Wasserstrecke sind 10m x 1,2m x 0,8m (LxBxH), bei einem Nennwasserspiegel von 0,6m. Die maximale Geschwindigkeit bei vollem Querschnitt  (1,2 x 0,6 m²) liegt bei 0.8 m/s. Der Kanal verfügt über eine rechnergesteuerte Messtraverse mit einem Verfahrweg (X/Y/Z in mm) von 2000 x 1200 x 250 und einer Microcontroler basierten Regelung für Pegelhöhe und Strömungsgeschwindigkeit.
 

3D-Drucker

Am LSS befinden sich zwei 3D-Drucker zum schnellen Fertigen von Prototypen und Versuchskörpern. Dabei handelt es sich erstens um den Raise3D Pro2, einen industriellen Dual-Extruder FDM-Drucker (Fused-Deposition-Modeling) mit mittlerem Bauraum (280mm x 305mm x 300mm). Mit diesem 3D-Drucker ist es möglich, schnell günstige Prototypen mit (je nach Material) sehr unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. Und zweitens, um ein Formlabs Form3L, ein Großraum- (335mm x 200mm x 300mm) SLA-Drucker (Stereolithografie). Dieser ist in der Lage, extrem detaillierte Geometrien mit sehr guten Oberflächen und einer Auflösung besser als 25 µm darzustellen.

Strömungskanäle

Verschiedene weitere Strömungskanäle für verschiedenste Anwendungen im flüssig, gasförmigen und mehrphasigen Bereich stehen zur Verfügung. So z.B.

• Rohrkanal-Prüfstrecke mit Hochbehälter zum pulsationsfreien Strömungsbetrieb,
• Kreislauf für Apparate- und Pumpenuntersuchungen,
• Strömungskreisläufe und Strömungskanäle für Einphasen- (Wasser) und Zweiphasenströmungen (Wasser / Luft)

Diese sind jeweils nach Bedarf mit induktiver bzw. thermischer Volumenstrommessung, regelbaren Gleichstromantrieben, elektronischen Absolut-, Differenzdruck- und Temperaturmessung und computergestützter Messdatenerfassung ausgerüstet.

Verbrennungslabor

Das Verbrennungslabor des Lehrstuhls ist für die Untersuchung von gasförmigen Verbrennungsvorgängen in kleinen bis mittleren Modellbrennnern ausgerüstet. Als Messtechnik kommen die nachfolgend aufgelisteten Verfahren zum Einsatz:

• Laserinduzierte Fluorescence (LIF),
• Raman und Rayleigh-Streuung,
• möglicherweise simultan mit Particle-Image-Velocimetry (PIV).

Untersuchung einer Gegenstromflachflamme (Rolon burner) mittels laserinduzierter Fluoreszenz des CH-Moleküls

Rheologielabor

Im Rheologielabor stehen Rheometer verschiedener Bauart zur Messung der Viskosität zur Verfügung:

• Luftgelagertes Forschungsrheometer „Kinexus pro+“ von Malvern mit Kegel-Platte, Platte-Platte und Ringspalt-Messgeometrie für Rotations- und Oszillationsmessungen, Temperierung im Bereich 0-200°C
  
• Kapillarviskosimeter „Cavis 2“ von Raczek zur Messung niedrigviskoser Flüssigkeiten im Bereich von Wasser
• Tragbares Rheometer „VT500“ von Haake
• Rotationsrheometer „CV20“ von Haake

Außerdem ist ein MasterSizer von Malvern zur Bestimmung von Partikelgrößen in Flüssigkeiten und Stäuben vorhanden.