Messungen an Filmströmungen mit hoher lokaler Auflösung

Grenzschichtströmungen, wie z. B. Filmströmungen, besitzen für industrielle Anwendungen ...

Dreidimensionale Darstellung der Messergebnisse (links) und den Vergleich mit analytisch ermittelten Strömungsprofilen (rechts)

Grenzschichtströmungen, wie z. B. Filmströmungen, besitzen für industrielle Anwendungen eine hohe Relevanz. Sie treten überall dort auf, wo Oberflächen mit Flüssigkeiten geschlossen zu benetzen sind. Beispiele hierfür können Beschichtungsvorgänge, Verdunstungskühlungen oder auch Reinigungsprozesse sein. Solche Filmströmungen können nur schwer mit Rechnungen simuliert werden, da hochkomplexe Randbedingungen in Filmströmungen herrschen. Auch die konventionelle Messtechnik stößt hier schnell an ihre Grenzen, da die Randbedingungen räumlich und zeitlich besonders hochauflösende Messungen für die korrekte Erfassung des Geschwindigkeitsprofils erfordern.

Mithilfe des in einem gemeinsamen Projekt der TU Dresden, PTB Braunschweig, der ILA R&D GmbH und OPTOLUTION entwickelten neuartigen Profilsensors wurde nun in einem Laboraufbau das Geschwindigkeitsprofil einer Filmströmung mit einer Filmdicke von ca. 700 μm erfasst. Der Profilsensor ist ein kommerzielles LDV-System mit einer hohen lokalen Auflösung, welches in Rückwärtsstreuung arbeitet (siehe auch Datenblatt).

Die Filmströmung wird durch einen einfachen Laboraufbau erzeugt. Dafür wird ein freier Wasserstrahl auf eine Glaswand eines Aquariums gerichtet. Durch das abfließende Wasser entsteht eine Filmströmung mit Dicken von 0,2 mm bis 1 mm und einer Grenzschicht an der Glasplatte und einer freien Oberfläche. Die Messungen erfolgten mit einem Profilsensor und einer xy-Traversierung, um das Messvolumen entlang der Strömung zu bewegen. Um Rückreflexionen des Lasers, verursacht durch die wabernde Oberfläche der Strömung, zu verhindern, wurde ein Polarisationsfilter eingesetzt.

Die Messergebnisse decken sich qualitativ sehr gut mit bisher analytisch bestimmten Geschwindigkeitsprofilen aus der Literatur (STEVENS/WEBB, 1993). Sowohl die typische Geschwindigkeitsüberhöhung am Auftrittspunkt des Wasserstrahls, als auch die parabelförmige Abflachung des Geschwindigkeitsverlaufs zur freien Oberfläche hin, sind charakteristische Merkmale dieser Filmströmung. Solche hochaufgelösten Messungen wären mit einem konventionellen LDV-System nicht realisierbar, da ohne Messvolumenüberdeckung nur zwei bis drei Messpunkte erreicht werden könnten. Die Messergebnisse zeigen, dass an Grenzschichtströmungen mit Hilfe eines Profilsensors hochaufgelöste Messdaten generiert werden können. Zusätzlich zu diesen Untersuchungen wurden weitere Messungen an Filmströmungen durchgeführt, deren Ergebnisse auch publiziert wurden (Veröffentlichung). Weitere Anwendungsgebiete für den Profilsensor sind Mikrokanalmessungen, Messungen an Turbomaschinen oder an weitere Grenzschichtmessungen.

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Dr. Ulrich Müller

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