Drucksensitive Farbe (PSP)

PSP-Chemie

Die PSP-Technik ist eine optische Messmethode, die es erlaubt, die Druckverteilung auf einer Oberfläche zu bestimmen, ohne Einbringung störender Sonden oder direkte Beeinflussung der zu untersuchenden Modelloberfläche. Das Verfahren beruht darauf, dass ein spezieller Farbanstrich auf das Modell aufgebracht ist, welcher zum Beispiel mit UV-Licht bestrahlt wird. Die Intensität des resultierenden Fluoreszenzlichts ist abhängig von der lokalen Sauerstoff-Konzentration und ermöglicht damit eine flächige Messung des Druckes.

Das DLR Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik nutzt u. a. drucksensitive Farbe („Pressure Sensitive Paint“, PSP), um die Druckverteilung auf Oberflächen von Flugzeugmodellen in Windkanälen oder Turbomaschinen zu messen. Die optische Erfassung von Druckverteilungen an Oberflächen stellt eine wichtige Weiterentwicklung im Bereich der berührungslosen Messtechniken für die Aerodynamik dar.

Während mit der konventionellen Druckmessmethode nur die Druckverteilung an diskreten Punkten auf der Oberfläche bestimmt werden kann, ermöglicht die PSP-Methode eine flächige Messung der gesamten Oberfläche. Auch erlaubt die höhere Ortsauflösung eine bessere Beobachtung von Strömungsstrukturen. Die Verwendung von PSP ist auch kostenrelevant, weil die stark verminderte Zahl von konventionellen Drucksensoren die Modellkosten und Instrumentierungszeit erheblich reduzieren kann. Schließlich entfällt der Nachteil konventioneller Technik, schon bei Modellfertigung die Position der Drucksensoren festlegen zu müssen, ohne die Strömungsstruktur genau zu kennen. Weiterhin gibt es geometrische Beschränkungen beim Anbringen von Druckanbohrungen, denen eine PSP-Beschichtung mittels Sprühpistole nicht unterliegt.

Pressure-Sensitive Paint PIV-Verfahren

Die PSP-Technik beruht auf der Deaktivierung fotochemischer Moleküle. Die zuvor mit Licht angeregten Moleküle emittieren  in Anwesenheit von Sauerstoff weniger Licht, was zu unterschiedlichen Helligkeitsgraden führt, die auf der Oberfläche eines Modells mit CCD-Kameras messbar sind. Mit komplexen Bildverarbeitungstechniken lässt sich daraus eine Druckverteilung ableiten. Solche Verteilungen können mit der am DLR entwickelten Software ToPas schon während der Messung aus den Bilddaten berechnet werden.

Die Sensitivität des verwendeten optischen Drucksensors, eine DLR eigene „Binärfarbe“ ist im Druckbereich von 0,1 bis 1,5 bar optimiert worden. Diese Drücke liegen typischerweise an Modellen im transsonischen Strömungsbereich vor. Das mobile DLR-PSP-System wurde aber auch schon erfolgreich im Niedergeschwindigkeits- und Hyperschallbereich eingesetzt. Unter statischen Bedingungen konnte eine Auflösung von ca. ± 1,5 mbar mit einer Antwortzeit von 0,5 s erreicht werden. Für instationäre Messungen wird derzeit an der Entwicklung „schnellerer" Farben gearbeitet.

herweise an Modellen im transsonischen Strömungsbereich vor. Das mobile DLR-PSP-System wurde aber auch schon erfolgreich im Niedergeschwindigkeits- und Hyperschallbereich eingesetzt. Unter statischen Bedingungen konnte eine Auflösung von ca. ± 1,5 mbar mit einer Antwortzeit von 0,5 s erreicht werden. Für instationäre Messungen wird derzeit an der Entwicklung „schnellerer" Farben gearbeitet.

Anwendungsgebiete

Allgemeine Daten zur Großanlage

PSP-GA-Steckbrief-iPSP_PIV
Zug im Seitenwindkanal Göttingen
  • Standort DLR Göttingen
  • Eröffnung 2006
  • Verfahren: drucksensitive Farbe: PSP („Pressure-Sensitive Paint“), optisches Verfahren zur berührungslosen Messung von Druck unter Ausnutzung der Lumineszenz-Löschung durch Sauerstoff.

Technische Daten

  • Kalibrierkammer für Druck (1-300 kPa)
  • Kalibrierkammer zur Bestimmung der Übertragungsfunktion (0,1 - 1000 Hz)
  • Spektrometer zur Analyse von Oberflächen und optischen Filtern (200 - 900 nm)
  • CCD Kameras und CMOS Kameras
  • Hochgeschwindigkeitskameras (50 Hz – 120 kHz)
  • Hochleistungslichtquellen (Laser, Entladungslampen, LED-Systeme)
  • Labore zur Sensorapplikation und -analyse
  • mobiles Messsystem

Projekt-Highlights

  • VICTORIA - (Virtual Aircraft Technology Integration Platform, DLR)
    Ziel: Weiterentwicklung der PSP-Messmethode zur Bestimmung relativer Wandschubspannungen
  • ReSK (Reynoldszahleffekte und Strömungskontrolle, LuFo V-2)
    Ziel: Erweitertes Verständnis über Reynoldszahleffekte und Möglichkeiten der Strömungskontrolle sowie Untersuchungen und Validierungen zum Leistungsgewinn durch Laminarhaltung und zur Grenzschichtentwicklung
  • Cryo-PSP: Optische Druckmessung mittels drucksensitiver Farbe unter kryogenen Strömungsbedingungen (LuFo IV-4)

Kooperationen

  • Universität Hohenheim
  • Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA)
  • Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
  • National Research Council Canada (NRC)
  • Tohoku University
  • Istituto Nazionale Per Studi Ed Esperienze Di Architettura Navale (INSEAN)
  • Deutsch-Niederländische Windkanäle (DNW)
  • European Transonic Windtunnel (ETW)

Literatur

  • Klein, C., Engler, R., Sachs, W., Henne, U., 2005. Application of Pressure Sensitive Paint (PSP) for Determination of the Pressure Field and Calculation of Forces and Moments of Models in a Wind Tunnel. Experiments in Fluids, Volume 39 (Heft 2), pp. 475-483. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. ISSN 0723-4864
  • Henne, U., 2005. Application of the PSP technique in low speed wind tunnels. In: Springer-Verlag Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design (NNFM), Vol. 92. Springer. pp. 41-49. ISBN 3-540-332856-3
  • Klein, C., Sachs, W. , Henne, U., Engler, R., Wiedemann, A., Konrath, R., 2006. Development of PSP Technique for Application on the VFE-2 65° Delta Wing Configuration. 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2006-01-09 - 2006-01-12, Reno, Nevada (USA). ISBN 1-56347-795-5
  • Hirschen, C., Gülhan, A., Beck, W., Henne, U., 2008. Experimental Study of a Scramjet Nozzle Flow using the Pressure Sensitive Paint Method. Journal of Propulsion and Power, Vol. 24 (4), pp. 662-672. AIAA. DOI: 10.2514/1.34626
  • Klein, C., Henne, U., Sachs, W., Hock, S., Falk, N., Beifuss, U., Ondrus, V., Schaber, S., 2013. Pressure Measurement on Rotating Propeller Blades by means of the Pressure-Sensitive Paint Lifetime Method. AIAA. 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 07. - 10. Jan. 2013, Grapevine (Dallas/Ft. Worth Region), Texas, USA. DOI: 10.2514/6.2013-483
  • Costantini, M., Fey, U., Henne, U., Klein, C., 2015. Nonadiabatic Surface Effects on Transition Measurements Using Temperature-Sensitive Paints. AIAA Journal, 53 (5), pp. 1172-1187. American Institute of Aeronautics and Astronautics. DOI: 10.2514/1.J053155. ISSN 0001-1452
  • Ondrus, V., Meier, R., Klein, C., Henne, U., Schäferling, M., Beifuss, U., 2015. Europium 1,3-di(thienyl)propane-1,3-diones with outstanding properties for temperature sensing. Sensors and Actuators A-Physical, 233 (09), pp. 434-441. ELSEVIER. DOI: 10.1016/j.sna.2015.07.023. ISSN 0924-4247
  • Yorita, D., Klein, C., Henne, U., Ondrus, V., Beifuss, U., Hensch, A.-K., Guntermann, P., Quest, J. 2016. Application of Lifetime-based Pressure-Sensitive Paint Technique to Cryogenic Wind Tunnel Tests. AIAA SciTech 2016 - 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 04. - 08. Jan. 2016, San Diego, CA, USA. DOI: 10.2514/6.2016-0649