Quantitative Infrarot-Thermografie in Kurzzeit-Anlagen

Abteilung Hochgeschwindigkeitskonfigurationen

Hintergrund

Die aerodynamische Aufheizung von Raumfahrzeugen während des Wiedereintritts in die Atmosphäre ist eins der Hauptprobleme der Raumfahrt, da die genaue Kenntnis der entstehenden Wärmelasten für eine richtige Dimensionierung des Hitzeschildes entscheidend ist. Für die quantitative Messung der Wärmestromdichte in Kurzzeit-Windkanälen des DLR wird am Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik ein Hochgeschwindigkeits-Wärmebildkamerasystem angewendet.

Das Messverfahren

Infrarot Schülein
Abb.1: Einige Ergebnisbeispiele der Wärmestrommessungen im rohrwindkanal Göttingen an halbsphärischen Nasen, die mit verschiedenen Spike-Konfigurationen ausgerüstet waren. Details dieser Untersuchungen sind in Schülein (2010) behandelt worden. Die Wärmestromdichte ist in dimensionsloser Form als Stanton-Zahl dargestellt.
Für Wärmestrommessungen wird ein Modell aus einem Werkstoff geringer thermischer Leitfähigkeit verwendet. Zur Bestimmung der Wärmestromdichte wird der Verlauf der Oberflächentemperatur während des gesamten Windkanaltests von einem Hochgeschwindigkeits-Wärmebild-Kamerasystem aufgezeichnet. Die Infrarot-Kamera ist mit einem hochempfindlichen 640x512 FPA-Sensor ausgerüstet, der nur sehr kurze Belichtungszeiten zwischen 10 und 100µs benötigt. Der Zugang zur Messstrecke des Windkanals erfolgt über ein spezielles IR-Fenster (Germanium), das durch eine beidseitige Antireflexbeschichtung für den Einsatz im erwünschten Wellenlängenbereich optimiert ist.

Die Analyse und Auswertung der gemessenen Temperaturbilder wird mit Hilfe der speziell entwickelten Software HeatFIT durchgeführt, die eine Berechnung und Darstellung der Wärmestromverteilungen direkt nach dem Windkanalversuch ermöglicht. Die integrierte automatische Marker-basierte 3D-Rekonstruktion der aufgenommenen Wärmebilder mit einer Abbildung der Daten auf das 3D-Gitter der Modelloberfläche ermöglicht eine genaue Berechnung der Wärmestromdichte auch an vibrierenden oder beweglichen (z.B. rotierenden) Modellen. Die Analyse der Daten in den Knotenpunkten des Oberflächengitternetzes erleichtert einen Vergleich mit den komplementären CFD-Berechnungen enorm. Ein typisches HeatFIT-Ergebnis einer Windkanalmessung am Rotationskörper, das mittels TECPLOT® visualisiert wurde, ist im Bild präsentiert.

Die Anwendung dieser Technik für qualitative Messungen (z.B. Transitionsvisualisierung) ist auch an kontinuierlichen Windkanälen möglich.

Veröffentlichung zum Thema

  • Schülein E., “Skin Friction and Heat Flux Measurements in Shock Boundary Layer Interaction Flows”, /AIAA-Journal/, Vol.44, No.8, Aug. 2006, pp.1732-1741
  • Kovar A. and Schülein E. (2008) “Visualisation and Prediction of Heat Flux Measured on the Example of Side Jet Control,” 13th International Symposium on Flow Visualisation, 01.-04.07.2008, Nizza, Frankreich
  • Schülein E. (2008) “Experimental Investigation of Laminar Flow Control on a Supersonic Swept Wing by Suction”, AIAA Paper 2008-4208, 4th AIAA Flow Control Conference, Seattle, Washington (USA), 23. – 26.06.2008, 14p
  • Schülein E. (2010) “Shock-wave control by permeable wake generators”, AIAA 2010-4977, 5th AIAA Flow Control Conference, Chicago, Illinois (USA), 28. Jun. - 01. Jul.2010



Kontakt
Dr.rer.nat. Erich Schülein
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Hochgeschwindigkeitskonfigurationen
Tel: +49 551 709-2803

Fax: +49 551 709-2811

E-Mail: Erich.Schuelein@dlr.de
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