Temperatursensitive Farbe (TSP)

Eine Methode zur Bestimmung des laminar-turbulenten Strömungsumschlags

Mittels temperaturempfindlicher Farbe (engl.: Temperature Sensitive Paint, TSP) können Oberflächentemperaturen und Wärmetransport flächenhaft auf Versuchskörpern bestimmt werden. Ein spezielles Meßverfahren unter Verwendung von TSP erlaubt es, den laminar-turbulenten Strömungsumschlag an Windkanalmodellen sichtbar zu machen. Dieses ist von besonderem Interesse bei aerodynamischen Untersuchungen mit Simulation von hohen Reynoldszahlen, wie sie heutzutage vorwiegend in modernen, kryogenen Anlagen wie dem Europäisch-Transonischen Windkanal (ETW) durchgeführt werden. Diese Transitionserkennung mittels TSP wird seit Anfang 2003 erfolgreich vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik durchgeführt. Weitere Einsatzmöglichkeiten von TSP sind allgemein Temperaturmessungen auf Oberflächen als Alternative zur Anwendung von Infrarotkameras oder dort, wo der Einsatz von IR-Kameras nicht möglich ist.

 Sichtbarmachung des laminar-turbulenten Strömungsumschlags am Tragflügel mittels TSP und der Methode der Temperatur-Sprünge
zum Bild Sichtbarmachung des laminar-turbulenten Strömungsumschlags am Tragflügel mittels TSP und der Methode der Temperatur-Sprünge
 
Windkanalmodell
Windkanalmodell, rechter Flügel mit TSP-Farbe beschichtet
In mit Stickstoff gekühlten Kryo-Windkanälen wie z.B. dem Europäisch-Transonischen Windkanal (ETW)  kann im Betrieb bei tiefen Temperaturen (100 K < T < 220 K) die Infrarot-Thermographie nicht mehr eingesetzt werden. Mit Hilfe der Methode der temperaturempfindlichen Farbe (temperature sensitive paint, TSP) kann der laminar-turbulente Strömungsumschlag  auf Windkanalmodellen jedoch auch hier untersucht werden.

Dabei wird der Strömung ein so genannter Temperatur-Sprung aufgeprägt, was bedeutet, dass die Temperatur des Strömungsmediums möglichst schnell mit einer bestimmten Heiz- oder Kühlrate geändert wird. Diese Änderung in der Temperatur der Außenströmung konvektiert dann im Bereich der turbulenten Grenzschicht schneller zur Modelloberfläche hin und bewirkt hier eine Zu- oder Abnahme der Temperatur im Vergleich zum laminaren Teil der Grenzschicht (je nachdem ob die Strömung wärmer oder kälter wird als das Modell). Dieser Temperaturunterschied kann dann eindeutig mittels TSP-Farbe sichtbar gemacht werden. Der Transitionsverlauf zeigt sich als Grenzlinie zwischen hellen und dunklen Bereichen im Ergebnisbild. Auch andere Methoden zur Erzeugung eines Temperaturunterschiedes zwischen Oberfläche und Außenströmung (z.B. Heizen des Modells) sind anwendbar.

Das Funktionsprinzip von temperaturempfindlicher Farbe (TSP) beruht auf dem themischen Quench-Prozess der in der Farbe eingebetteten Moleküle. Diese so genannten Luminophore werden durch Anregung mit Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs (z.B. UV-Licht oder blaues Licht) in einen energetisch höheren Zustand versetzt und strahlen beim Übergang in den Grundzustand wellenlängenverschobenes (z.B. rotes) Fluoreszenzlicht aus. Es kann weiterhin ein strahlungsloser Übergang in den Grundzustand erfolgen, dessen Häufigkeit mit der in der Farbe enthaltenen Wärmeenergie steigt (thermisches Quenchen). Je höher die Temperatur und damit die kinetische Energie der Moleküle, umso mehr strahlungslose Übergänge finden statt und umso weniger Licht wird von der Farbschicht wieder emittiert. Vereinfacht: Je wärmer die Farbe umso dunkler wird sie (oder: je kälter umso heller wird sie).

Die am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik vorwiegend für die Transitionserkennung verwendete TSP-Farbe wurde von der Japanese Aerospace Exploration Agency (JAXA) entwickelt und speziell für die Anwendung in großen, kryogenen Windkanälen optimiert. Am DLR Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik wird die Anwendung der TSP-Methode zur Transitionserkennung fortwährend verbessert, sowie neue, temperatursensitive Farben für unterschiedliche Anwendungsgebiete entwickelt.

Transitionserkennung an verschiedenen Modellen
Transitionserkennung an verschiedenen Modellen, gewonnen in unterschiedlichen Kryo-Windkanälen. Die ursprünglich schwarz-weißen Ergebnisbilder wurden nachträglich eingefärbt. Helle Bereiche repräsentieren den laminaren, dunkle (rote) Bereiche den turbulenten Teil der Grenzschicht. Die zugehörigen Reynoldszahlen liegen zwischen 2 Mio und 12 Mio und die Machzahlen liegen zwischen 0,2 und 0,8.

Kontakt
Dr.rer.nat. Christian Klein
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Experimentelle Verfahren
Tel: +49 551 709-2440

Fax: +49 551 709-2830

E-Mail: Christian.Klein@dlr.de
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