PIV - Particle Image Velocimetry



2C- Geschwindigkeitsfeld, Phasenwinkel 90°
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EDS: Strömungsfeld der Primärzone
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In der Strömungsmesstechnik wachsen zunehmend die Anforderungen an eine zeitlich und räumlich hochauflösende Geschwindigkeitsmessung, im Besonderen in instationären, heißen und auch reagierenden Strömungen. In der Triebwerksmesstechnik setzt das DLR seit über 10 Jahren erfolgreich die Particle Image Velocimetry (PIV) als nicht-invasives, planares Messverfahren ein, das es erlaubt, die Strömungsgeschwindigkeit an vielen Punkten innerhalb einer Messfläche zeitgleich zu erfassen. Neben der Anwendung in Brennkammer­strömungen, die sowohl gasförmige wie flüssige Brennstoffphasen enthalten können, wird der Einsatz von PIV verstärkt in transonischen Strömungen von Turbomaschinen, wie beispielsweise Flugtriebwerken, Turbinen oder Verdichtern, gefragt. Durch die hohe Genauigkeit sowie die Möglichkeit, in instationären Strömungen Phasenrelationen aufzulösen, können mit der PIV experimentelle Strömungsfelddaten bereitgestellt werden, die im numerischen Bereich als Vergleichsdatensatz und sogar für die Validierung der verwendeten CFD Algorithmen herangezogen werden können.

Für jeden Anwendungsbereich werden spezielle Anforderungen an das PIV Equipment sowie an die Beschaffenheit der benötigten Streulichtpartikel gestellt. Hier kann in der Abteilung Triebwerksmesstechnik auf eine fundierte, langjährige Expertise zugegriffen werden. Ein Fortschritt für die Anwendung von PIV in bislang nicht zugänglichen Bereichen konnte durch die Entwicklung und Konstruktion von Lichtschnittsonden im Hause erreicht werden. Mit diesen speziell auf den untersuchten Prüfstand zugeschnittenen Sonden werden nun auch PIV- Anwendungen in beengten, komplizierten Geometrien möglich, die bislang eher den punkt-basierten Lasermesstechniken vorbehalten waren. Die fertigungstechnisch aufwändige und kostenintensive Integration von Fenstern in den Prüfling kann somit auf den optischen Zugang für die Kamera reduziert werden. Darauf aufbauend werden Konzepte für den Einsatz von PIV in Turbomaschinen entwickelt.

Auch bei der Suche nach geeigneten Partikeln und entsprechenden Zerstäubungs­mechanismen wird die interne Forschung ständig vorangetrieben, da diese die Basis für die sonst berührungslose Messtechnik bilden. Neben den bereits verfügbaren und weitgehend erprobten ölbetriebenen Tröpfchen- und Nebelgeneratoren werden Untersuchungen zur Optimierung so genannter Feststoffpartikel- Generatoren, wie sie für den Einsatz in heißen und reagierenden Strömungen benötigt werden, intensiviert.

PIV Aufnahmen von turbomaschinentypischen Kanalströmungen und geschlossenen Brenn­raumgeometrien sind meistens von signifikanten Störstrahlungen überlagert, die besondere Anforderungen an die Auswertesoftware stellen. In Kooperation mit dem Institut für Aerodynamik und Strömungsmechanik wurde eine Vielzahl neuer adaptiver Algorithmen entwickelt, die es nun ermöglicht, auch Aufnahmen mit hohen Störeinflüssen auszuwerten. Diese Leistungsfähigkeit manifestiert sich durch führende Platzierungen im Rahmen international ausgerichteter Benchmarking- Tests (PIV- Challenge 2003, 2005).

Die voranschreitende Entwicklung im Software- und Hardwarebereich der PIV ermöglicht nun ihren Einsatz in vielen, zuvor als problematisch eingestuften Anwendungen. Dabei sind der Messtechnik jedoch nach wie vor Grenzen gesetzt, besonders in Bezug auf Bildfolge­frequenz und Ortsauflösung, bedingt durch eine verhältnismäßig langsame Entwicklung von geeigneter, hochfrequenter Kameratechnologie und entsprechend leistungsstarken Lichtquellen. Dennoch bezeugt ein relativ breites Spektrum an jüngst gewonnen Messungen im Umfeld von Turbomaschinen- und Brennkammeruntersuchungen das Potential dieses Messverfahrens.

 


Kontakt
Dr.-Ing. Melanie Voges
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik
, Triebwerksmesstechnik
Tel: +49 2203 601-3784

E-Mail: Melanie.Voges@dlr.de
Dr.phil. Christian Willert
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Antriebstechnik
, Triebwerksmesstechnik
Tel: +49 2203 601-2308

E-Mail: Chris.Willert@dlr.de
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