Visualisierung von Wandschubspannungsfeldern auf Basis der Infrarot-Thermografie

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Die Wandschubspannung ist eine Größe von zentraler Bedeutung in der Strömungsmechanik, die insbesondere in der Analyse wandnaher Strömungsvorgänge ein entscheidender Parameter ist. Dabei sind sowohl quantitative Informationen wie Betrag und Richtung als auch Visualisierungen dieser Strömungsgröße von großem Interesse. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen bildgebenden Messverfahrens, welches in der Lage ist, die Wandschubspannungsverteilung eines umströmten Körpers nicht nur zu visualisieren, sondern auch quantitative Informationen zu liefern. Die physikalische Grundlage des Verfahrens ist die Analogie zwischen Impuls- und Wärmetransport, die das Oberflächentemperaturfeld einer umströmten, auf eine geringe Übertemperatur geheizten Struktur mit der Wandschubspannungsverteilung verknüpft.Mit Hilfe eines Infrarot-Kamera-Systems lässt sich die zeitliche Entwicklung des Oberflächentemperaturfeldes berührungslos und flächig quantifizieren. Aus diesen Infrarotdaten können mittels verschiedener Bildverarbeitungsalgorithmen detaillierte Visualisierungen der Wandschubspannungsverteilung gewonnen werden. Durch eine transiente Betrachtung des Abkühlens der Oberflächentemperatur oder aus der Bestimmung der zugehörigen Wandwärmeströme mittels numerischer und bildanalytischer Verfahren lassen sich charakteristische Größen finden, die mit der Wandschubspannung korrelieren. Somit können mit Hilfe von Referenzmessungen, die mit einer am Fachgebiet vorhandenen hochpräzisen Wandschubspannungswaage durchgeführt wurden, Kalibrationsfunktionen gefunden werden, die eine quantitative, flächige Wandschubspannungsinformation liefern. Aus der Kombination der vier für das Messverfahren essentiellen Einzelkomponenten („Messfolie , Infrarot-Messsystem, Bildverarbeitung und Kalibration) soll eine neuartige Methode zur Visualisierung und Quantifizierung der flächigen Wandschubspannungsverteilung bereitgestellt werden, die in der abschließenden Förderphase auch am Leitexperiment an der Universität Rostock validiert werden soll.