Investigation of Background Oriented Schlieren (BOS) towards a quantitative density measurement system

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Zur Beschreibung von isothermen Strömungen ist zusätzlich zum Geschwindigkeitsfeld das Dichtefeld erforderlich. Erst diese weitere thermodynamische Größe ermöglicht das grundsätzliche Verständnis der Strömungsmechanik, die auf quantitativen Ergebnissen beruhende Bewertung und die Erweiterung mathematischer Modelle. Die im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Göttingen vor zwei Jahren entwickelte Hintergrund-Schlieren-Methode (BOS) ermöglicht inzwischen bei einem sehr einfachen Versuchsaufbau die quantitative Bestimmung zweidimensionaler Dichtefelder auch instationärer Strömungen. Deshalb ist die BOS-Messmethode auch für die Strömungen, wie sie beim Antragsteller untersucht werden, von großem Interesse. Technische relevante Strömungen sind aber nur in Sonderfällen zweidimensional. Im Gegensatz zu den Messtechniken Schlieren oder Interferometrie, die auf dem gleichen physikalischen Effekt wie BOS beruhen, ist mit der Hintergrund-Schlieren-Methode - aufgrund des einfacheren optischen Aufbaus - die Beobachtung der Strömung aus mehreren Richtungen, die für die Auflösung einer dreidimensionalen Strömung notwendig ist, möglich. Diese Arbeiten sollen in enger Zusammenarbeit des Instituts für Strömungsmaschinen (IfS) der Universität Hannover mit der TU-Berlin und dem DLR-Göttingen in Angriff genommen werden: Das konkrete Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Erweiterung dieser Messmethode auf dreidimensionale Strömungsfelder durch die Implementierung eines geeigneten Tomographiealgorithmus´ in die bereits vorhandene quantitative 2D-BOS-Auswertesoftware und die Verifizierung anhand zunehmend komplexer Strömungen bis hin zur Anwendung in Gitterströmungen. Dies ermöglicht die Erweiterung der Messmöglichkeiten dieser instationären, berührungslosen, genauen und schnellen Methode auf komplexe strömungstechnisch relevante Fragestellungen. Die effektive Entwicklung des Messsystems soll durch Vorversuche im Labor an einem transsonischen Freistrahl im DLR-Göttingen gewährleistet werden. Dieser Freistrahl kann entsprechend dem Entwicklungsschritt beliebig komplexe Strömungen generieren und ist deshalb als Versuchsobjekt gewählt worden. Nach abgeschlossener Validierungsphase der Messmethode an diesem einfachen Fall sollen Messungen im Gitterwindkanal des Instituts für Strömungsmaschinen der Universität Hannover die Anwendbarkeit in der Praxis unter Beweis stellen. Für Turbomaschinen kann BOS ein wertvolles Verfahren werden, das dem instationären Charakter der Strömung gerecht wird. Erforderlich ist für eine Momentaufnahme des dreidimensionalen Strömungsfeldes, dass zusätzlich zu der Strömungsgeschwindigkeit noch mindestens eine thermodynamische Zustandsgröße (im isothermen Fall) erfasst wird. Erst mit diesen Informationen ist es möglich, den Arbeitsumsatz und das Verlustverhalten einer Maschine zu bestimmen.