Temperatursensitive Farbe (TSP)
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.
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.
Anwendungsgebiete
Bestimmung der Temperatur auf Oberflächen in Windkanälen für die Bereiche
- Luftfahrt
- Verkehr
- Antriebstechnik
- Energie
- Messung instationärer Effekte
- Bestimmung von Kräften und Momenten
Allgemeine Daten zur Großanlage
- Standort DLR Göttingen
- Eröffnung 2006
- Verfahren: temperatursensitive Farbe: TSP („Temperature-Sensitive Paint“), optisches Verfahren zur berührungslosen Messung von Temperatur unter Ausnutzung der temperaturabhängigen Lumineszenz von Farbstoffen
Technische Daten
- Kalibrierkammer für Druck (1-300 kPa) und Temperatur (100 – 380 K)
- 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