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Page 1: Fluid Mechanics

Fluid Mechanics

Page 2: 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

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Wissenschaftliche Tätigkeiten

Dienstleistungen & Beratung• Auftragsmessung und Beratungstätigkeit im

Bereich Fluid Mechanics

Page 4: 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

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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

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• 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)

Page 7: Fluid Mechanics

Das Messprinzip II

• Der Sensorwiderstand (Temperatur) wird durch den Regelkreis konstant gehalten

• Die Wärmeabfuhr ist u.a. abhängig von der anliegenden Strömung

Page 8: Fluid Mechanics

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)

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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

Page 10: Fluid Mechanics

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)

Page 11: Fluid Mechanics

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.

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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

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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

Page 14: Fluid Mechanics

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

Page 15: Fluid Mechanics

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

Page 16: Fluid Mechanics

Strömung mit Partikeln

d (bekannt)

Geschwindigkeit = Weg/Zeit

t (gemessen)

Signal

Zeit

LaserBragg-zelle Rückstreulicht

Messvolumen

Detektor

Prozessor

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Signalcharakteristiken

• ungefiltertes Signal

• gefiltertes Signal

Page 18: Fluid Mechanics

LDA - Interferenzstreifenmodell

• Das Strahlenkreuz und das Schnitt- bzw. Messvolumen

• Ebene Wellenfronten

• Interferenz in der Ebene des fokussierten Schnittvolumens

• Hell-Dunkel Streifenmuster

Page 19: Fluid Mechanics

• 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

Page 20: Fluid Mechanics

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

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LDA Fiber Flow LDA System

Page 22: Fluid Mechanics

3D Messung um ein 1:5 Fahrzeugmodell in einem Windkanal

Mit freundlicher Genehmigung von Mercedes-Benz, Germany

Page 23: Fluid Mechanics

Messung des Strömungsprofils in einem Rohr

Page 24: Fluid Mechanics

Strömungsprofile einer turbulenten Strömung

Page 25: Fluid Mechanics

Umströmung einer Schiffsschraube in einem Kavitationstank

Mit freundlicher Genehmigung der Universität Rostock, Germany

Page 26: Fluid Mechanics

Wasserströmung in einem Pumpenmodell

Mit freundlicher Genehmigung der Grundfos A/S, DK

Page 27: Fluid Mechanics

Strömungsmessung in einem Ventilmodell

Mit freundlicher Genehmigung der Westsächsische Hochschule Zwickau, Germany

Page 28: Fluid Mechanics

Vergleich von EFD und CFD Ergebnissen

Page 29: Fluid Mechanics

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

Page 30: Fluid Mechanics

Experimental Fluid DynamicsPDA Systeme - Partikel Charakterisierung

Berührungslose Analyse der Partikelgröße, Geschwindigkeit und Massenstrom von spherischen Partikeln

- FiberPDA Systeme- DualPDA Systeme

Page 31: Fluid Mechanics

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:

Page 32: Fluid Mechanics

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.

Page 33: Fluid Mechanics

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

Page 34: Fluid Mechanics

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

Page 35: Fluid Mechanics

Treibstoffeinspritzung bei Automobilen

Photo: AVL, Graz, Austria

Page 36: Fluid Mechanics

Treibstoffeinspritzung bei Flugzeugmotoren

Photo: DLR, Institut für Antriebstechnik, Köln, Germany

Page 37: Fluid Mechanics

Düsendesign

Photo: Gustav Schlick GmbH & Co., Untersiemau, Germany

Page 38: Fluid Mechanics

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

Page 39: Fluid Mechanics

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

Page 40: Fluid Mechanics

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

Page 41: Fluid Mechanics

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

Page 42: Fluid Mechanics

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

Page 43: Fluid Mechanics

Räumliche Auflösung

Pixel

LLintint

LMint

Abfrageraster

Räumliche Auflösung im Strömungsfeld

Page 44: Fluid Mechanics

Gute Kreuzkorrelation

Page 45: Fluid Mechanics

Strömungen um einen LKW-Außenspiegel

• Messung im 1:1 Windkanal

Nd:YAG Laser

Lichtschnitt- optik

FlowSense Kamera

Wand mit Schlitzen

Page 46: Fluid Mechanics

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

Page 47: Fluid Mechanics

• Messposition:Stromaufwärts

• Freie Strömung:10 m/Sek.

• Rauchpartikel

LKW Spiegel

16 x 16 cm

Fläche

Page 48: Fluid Mechanics

• Messposition:Stromabwärts

• Freie Strömung:10 m/Sek.

• Rauchpartikel

LKW

Spiegel

16 x 16 cm

Fläche

Page 49: Fluid Mechanics

PIV-Anwendung für Komfortdesign

Page 50: Fluid Mechanics

Model in Air Messungen von der HSVA Hamburg / Airbus Bremen

Page 51: Fluid Mechanics

Entstehung der Randwirbel

Page 52: Fluid Mechanics

Vektor Feld Wirbel

Click on the picture

Page 53: Fluid Mechanics

Vektor Feld und Geschwindigkeitsverteilung

Click on the picture

Page 54: Fluid Mechanics

Wirbelbeide Vortex

Click on the Picture

Page 55: Fluid Mechanics

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

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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

Page 57: Fluid Mechanics

Innovative Technologie – Weltweit angewandt!Automobil Luft- und Raumfahrt Weitere


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