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Schlierenphotos

Ein Schlierenbild zeigt die Dichtegradienten in einem zweidimensionalen Strömungsfeld. Dabei wird die physikalische Eigenschaft genutzt, dass Dichteänderungen mit der Änderung des Brechungsquotienten des Lichtes einhergehen. Beim Schlierenverfahren werden auf diese Weise Dichteänderungen in Helligkeits- oder Farbänderungen umgesetzt (siehe unten) und in einem Foto oder Videobild gespeichert. Starke Effekte kompressibler Strömungen, wie Wirbel, Ablösungen und Verdichtungsstöße werden damit besonders deutlich sichtbar.

Überschallabströmung im Turbinengitter
Detail: Ablöseblase durch Stoß-Grenzschicht-
Wechselwirkung

Überschallströmung im Turbinengitter: links mit Ablöseblase auf der Saugseite, rechts mit totaler Ablösung
bei höherer Machzahl

Ablösung im Dampfturbinengitter bei Machzahlen höher als
im Auslegungspunkt (Schlierenaufnahmen mit 20 ns Blitz)

Turbinengitterströmung:    Abströmmachzahl Ma₂=0.8

   Turbinengitterströmung:     Ma₂ = 1.0

   Turbinengitterströmung:   Ma₂ = 1.2

Strömung durch ein Turbinengitter mit Plattenprofilen: Machzahl von oben links nach unten rechts zunehmend; Sichtbarmachung von Dichtegradienten, insbesonders Beschleunigungszonen, Verdichtungsstöße, Nachläufe, Karmansche Wirbelstraßen; Lichtquelle: Blitz mit 20 ns Dauer

Turbinengitterströmung bei Ma₂ = 0,80 mit Blitz von 20 ns als Lichtquelle

Turbinengitterströmung bei Abströmmachzahlen Ma₂ = 0,8; 0,9; 1,0; 1,1

Ma₂ = 1,2 (Lichtquelle: Blitz) Stoßreflektion an der Freistrahlgrenze

Schlierenphotos der Strömung an der Hinterkante eines Turbinenprofils
mit Stoß-Grenzschicht-Interferenz am jeweils darunter liegenden Profil

VW-Käfer-Modell im Windkanal Schlierenbild bei Machzahl 0,8 (entspricht etwa 900 km/h)

Aufbau der Schlierenoptik am Windkanal

Schematische Skizze zum Schlierenoptik-Aufbau (in Z-Anordnung) am Windkanal für Ebene Gitter

Schlierentechnik:

Eine optische Anordnung zur Schlierentechnik ist am einfachsten durch eine geradlinige Anordnung mit Linsen realisierbar, allerdings sind großflächige Linsen mit guter optischer Qualität teuer. Großflächige Hohlspiegel sind preiswerter und weisen keine chromatischen Fehler auf, dafür muss man eine kompliziertere optische Anordnung in Kauf nehmen:

Schlierenoptischer Aufbau in Z-Anordnung:

Eine Punktlichtquelle ist im Brennpunkt des ersten Hohlspiegels (im Bild rechts) angebracht. Damit geht ein paralleles Lichtbündel durch die Messstrecke des Windkanals. Ohne Strömung in der Messstrecke bleiben alle Lichtstrahlen parallel bis zum zweiten Hohlspiegel (im Bild links). Die Schlierenkante (Spaltblende bei Farbschlierentechnik) ist im Brennpunkt des zweiten Hohlspiegels angeordnet. Die Schlierenkante wird ohne Strömung so eingestellt, dass ein Teil des Lichtes sie passieren kann. Ohne Strömung erhält man deshalb in der Kamera ein gleichmäßig graues Bild mit den Turbinenprofilen als schwarzer Schatten. Mit Strömung in der Messstrecke werden Lichtstrahlen, die einen Dichtegradienten passieren geringfügig abgelenkt. Diese abgelenkten Lichtstrahlen bilden in der Ebene der Schlierenkante einen verschobenen Brennpunkt. Folglich können sie eventuell die Schlierenkante nicht mehr passieren und im Kamerabild erhält man einen dunklen Fleck am Ort des Dichtegradienten (beispielsweise am Ort eines Verdichtungsstoßes oder eines Wirbelkerns). Bei der Farbschlierentechnik werden die Verschiebungen in der Ebene der Schlierenkante in Farbänderungen umgesetzt.

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