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Particle Image VelocimetryParticle Image VelocimetryDominik Jaeger und Lars KriegerDominik Jaeger und Lars Krieger
Fortgeschrittenen-Praktikum 2Fortgeschrittenen-Praktikum 2Freiburg, April 2004Freiburg, April 2004
Assistent: Falk KartsensAssistent: Falk Kartsens
Übersicht
• Überblick über den Versuch• Strömungsphänomene• Instabilitäten• Versuchsprinzip• Aufbau• Messung• Ergebnisse
PIV• Was bedeutet PIV?
• Wie funktioniert es?
• Was wurde im Versuch gemacht?
Particle Image Velocimetry
Vergleich zweier zeitlich versetzter Bilder
Geschwindigkeitsspektrum einer Querflöte
Aufgabenstellung
• Aufzeichnen des Geschwindigkeitsfeldes über Embouchure einer Querflöte
• Bestimmung des akustischen Feldes am Blasrohr/Labium
• Vergleich der Phasenlage des Jets und des akustischen Feldes
• Vergleich der akustischen Leistung mit der zugeführten
Versuchsaufbau (kurz)
• Medium ist mit „Seeding“ versetzt• Laser beleuchtet fließendes Medium• Kamera nimmt zwei kurz aufeinander
folgende Bilder auf• Computer wertet Bilder aus
Stokes`sche Reibung
• Nicht zu große Körper (Korpuskel), die sich nicht zu schnell in einem Fluid bewegen, erfahren eine Bremskraft, die proportional zu ihrer Geschwindigkeit ist.
Navier-Stokes-Gleichung
dtdu
Für Bewegungen von Fluiden, die der Stokeschen Reibung unterliegen, gebräuchliche Beschreibung :
• u Geschwindigkeitsprofil der Strömung• F eine von außen einwirkende Kraft • ρ Dichte • p Druck• η Viskosität• Beschleunigung im mitbewegten Bezugssystem,• die im ortsfesten.
tu
Idealisierung / ideale Strömung
Für eine vernünftige Vereinfachung:
•F=0•η=0
Man nimmt idealisierte Strömung an !
Euler-Gleichung
• eben gemachte Annahmen in die Navier-Stokes- Gleichung einsetzen
• man erhält die Beschreibung einer idealen Strömung
- die Euler-Gleichung:
Der Term …
…ist interessanter, als es den Anschein hat:
Auseinandernehmen ergibt
Komponenten enthalten gemischte Terme
=> Komplexität der Strömungslehre !!
Beispiel
In waagerechter Strömung: fallendes Teilchen erfährt rücktreibende KraftIn waagerechter Strömung: fallendes Teilchen erfährt rücktreibende Kraft
Wirbelstärke
• Die wichtige Größe der Wirbelstärke Ω definiert man direkt aus vorheriger Gleichung:
daraus erhält man
Wirbelstärke und im Wirbel herrschende Winkelgeschwindigkeit ω hängen über
zusammen
Potentialströmung
in der klassischen Betrachtung geht es zumeist um ideale Strömungen u
Für diese gilt :
Darum werden diese Strömungen auch Potentialströmungen genannt !!
rot u = 0
Nach Stokes verschwindet demnach jedes geschlossene Linienintegral
um eine Fläche A, es existiert also eine u erzeugende Potentialfunktion φ, die der Laplace-Gleichung genügt:
- Δφ = 0 !!
Helmholtzsche Wirbelsätze
Das Verschwinden von rot u ist gleichbedeutend mit dem Fehlen von Wirbeln in einem geschlossenen System.
Dies wurde schon von Helmholtz in seinen Wirbelsätzen formuliert:
•Wirbel enden oder beginnen nirgendwo örtlich innerhalb eines Fluids
•Wirbel haben zeitlich weder Anfang noch Ende
Strömungsarten
– Laminar
– Turbulent
• Für reale Strömungen : Viskosität hinzunehmen • Führt auf Unterscheidung zwischen zwei Arten
aber: keine scharfe Trennung möglich !!
Reynoldszahl als gebräuchliches Kriterium
Einfluß der Reynoldszahl
Wirbel
Hat man ein Strömungsprofil u, bei dem gilt:
entlang einer geschlossenen Kurve, so spricht man von einem Wirbel in der Strömung
Das Integral wird auch Zirkulation Γ genannt. - verschwindet diese, handelt es sich um eine Potentialströmung
Es gilt: Γ
Zerfall von Wirbeln
In der Realität gilt Helmholtz nicht !!
Energieabgabe durch Reibung sorgt für Zerfall
Lebensdauer τ ergibt sich zu :
hängt nur von Größe, nicht von Drehgeschwindigkeit ab
Modelle: Stromlinien <-> Elementarwirbel
1. Euler (Betrachter-System)
• Stromlinien
2. Lagrange (mitbewegtes Bezugssystem)
• Strömung aus kleinen Wirbeln aufgebaut , • Stärke nimmt nach außen hin jeweils mit 1/r² ab • Strömungsprofil : an jeder Stelle alle Wirbel (virtuell)
aufsummieren.
• liefert passable qualitative Beschreibung
Elementarwirbelkonstanz – analytisch
Elementarwirbel ändern ihre Stärke nicht !!
Sie „schwimmen“ nur in den angrenzenden Wirbeln und ändernso ihre Position
kann analytisch begründet werden:• rot auf die Euler-Gleichung anwenden• berücksichtigen, daß die Strömung 2-D
ergibt:
Die Wirbelstärke eines Elem.-Wirbels bleibt also entlang seiner Trajektorie erhalten
Magnus-Effekt <-> Auftrieb 1
vom Flugzeug bekannt und gewünscht:
Auftrieb durch Flügelasymmetrie
Stromlinien Kräfte
Auftrieb nicht erwünscht
Magnus-Effekt <-> Auftrieb 2
auch bei symmetrischen Körpern möglich: durch Rotation
Stromlinien Kräfte
Kutta-Shukowski- Formel für den Auftrieb
Mit ω rotierender Zylinder der Länge l und Radius r im Fluidstrom der Geschwindigkeit
Mit vorhin definierter Zirkulation (hier Γ= 2πωr²) erhält man die Kutta-Shukowski-Formel:
Γ
Parameter
• „Natur“ ist nicht einfach auf Modell zu skalieren • Strömungsprofile müssen gleich sein• Navier-Stokes entdimensionalisieren• dimensionslose Vergleichsgrößen einführen
– Reynoldszahl– Strouhalzahl– Froudezahl
• sind abhängig von systemcharakteristischen Größen• Maß für Äquivalenz der Strömungen
Strömungsinstabilitäten
Störung wird in die Strömung eingebracht – was passiert ?
1. Strömung reguliert sich selbst, die Störung fällt in sich zusammen
oder
2. Störung wird angefacht, es kommt zu einer Instabilität
Globale Instabilität
Störung führt zu Instabilität und ist Teil der Konfiguration
• im „richtigen Leben“ problematisch, da nicht zu beheben (im Aufbau verankert)– z.B. : Wummern von Türen und Fenstern im Zug
• Möglichkeit der Beseitigung:Einbringen von zusätzlichen Störungen
• z.B. Säulen vor Notausgängen
Globale Instabilität 2
Kanten-Strahl-Instabilität
• Fluid gleitet theoretisch glatt über eine Kante• aber real: kleine Störungen • => unterschiedliche Geschwindigkeiten• => kleine Wirbel hinter der Kante• Rückkopplung auf hintere Umgebung der Kante• Ausbildung eines „falschen“ (für Instabilitäten sorgendes)
Strömungsprofils
Kanten-Strahl-Instabilität 2
• Anfachung der Störung -> Instabilität• hinter der Kante: Ausbildung einer quasi-periodischen Störung
möglich
• Kármánsche Wirbelstraße
• diese kann periodisch zurückkoppeln • Folgen nicht absehbar
Beispiele
Strahl-Kanten / Jet-Edge
• klingt genauso, ist es aber nicht• stehende Welle• komplett rückkoppelndes System• konfigurationsabhängig
Strahl-Kanten-Instabilität 2
Strahl-Kanten-Instabilität 3
Vorgang läßt sich durch Kombination von 4 Verstärkungen beschreiben:
1. Auslenkung auf Strecke Düse->Keil exponentiell2. Druckgradientenausbildung am Keil senkrecht zum Jet3. Ausbreitung des Druckgradienten mit 1/x² vom Keil4. Rückkopplung auf die Düse mit neg. Vorzeichen
Alle 4 zusammen ergeben einen Faktor, der Verstärkung und Phasenverschiebung einer eintreffenden Störung angibt
• Allgemein : abhängig von Aufbauparametern
Strahl-Kanten-Instabilität 4
Flöte
In der Flöte bilden sich stehende Wellen aus:
Flöte 2Am geschlossenen Ende und hinter dem „Ausgang“ gibt es
Endkorrekturen:
Leistungsabfall
• Akustisches Feld beeinflußt Jet• Schwingungen sind nicht in Phase• Impedanz dieser erzwungenen Schwingung→ Leistungsabfall
Leistung-/Energiebilanz
Definition der Zirkulation :
Praktische Umsetzung
Leistung-/Energiebilanz
Leistungstypen:
• Akustisches Fernfeld• Nahbereich• Jet-Leistung
Akustisches Fernfeld
• Longitudinale Schwingung
• Auslenkung ε:
• Energiedichte einer Welle:
• Intensität
Akustisches Fernfeld• Intensität
• Schalldruck
• Leistung
• Fehler
Nahbereich
• Leistung
• Nach Kutta-Shukowski- Formel
• Leistungsdichte
lvF
Leistung des Jets
• Leistung des Jets berechnet sich nach:
• Fehler stark beeinflußt durch Fehler der Fläche (ca. 10%)
Versuch
• Idee & Durchführung
Bilder-Aufzeichnung
Versuchsprinzip
• Double-Frame-Bilder
• Kreuzkorrelation
• Window-Velocity-Filter
• Interpolation
Versuchsaufbau
Versuchsaufbau
Strömungs- und Streuverhalten des Seedings
• Aerosol-Generator
• homogene kleine Tracer
„Di-Ethyl-Hexyl-Sabacat (DEHS)“d = 0.2-0.3 µm
Double-Laser
Versuch
• Schaltung &Timing
Versuchsaufbau (akustisches Feld)
Ergebnisse Leistung
Visualisierung Leistung
Visualisierung Ergebnis Jet
Visualisierung Ergebnis Akustisches Feld
Ergebnisse
• Phasenverschiebung
Fehler
• Apparatur bedingte Fehler• Kreuzkorrelation• Velocityfilter und Interpolation• Auswerteprogramm
Kommentare moderne Apparatur modernes Anwendungsgebiet aktueller Forschungsbereich
noch nicht ausgereift insbesondere Auswerungssoftware
Moderne Anwendungsbereiche
ENDE