Ein Mikrostruktur-Sensorkonzept zur bildgebenden Vermessung der instationären zweidimensionalen Wandschubspannungsverteilung in turbulenten Strömungen

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Es wird eine neue innovative Messtechnik zur flächigen zeitauflösenden Erfassung der Wandschubspannungsverteilung vorgestellt, die in diesem Vorhaben weiterentwickelt und erstmalig für die dynamische Darstellung und quantitative Analyse der Wandschubspannungsverteilung in einer turbulenten Kanalströmung eingesetzt werden soll. Das Verfahren basiert auf einer mikrostrukturierten und im Rahmen des Vorhabens weiter zu optimierenden Sensor-Folie mit einem dichten Raster von schlanken, hochflexiblen Mikrozylindern, die normal zur Oberfläche in der zähen Unterschicht der Strömung stehen und sich proportional zur Wandschubspannung verbiegen. Diese Verbiegung wird zeitaufgelöst für alle Mikrozylinder gleichzeitig über ein bildgebendes Verfahren mit Hochgeschwindigkeitskameras detektiert und über digitale Bildverarbeitung hochgenau vermessen. Hierbei können lokale Sensorgrößen von unter 10 µm und Array-Anordnungen mit Abständen von 100 µm realisiert werden. Das Verfahren wird hinsichtlich der Messgenauigkeit sowie der Orts- und Zeitauflösung charakterisiert und zur dynamischen Erfassung der fluktuierenden Wandschubspannungsverteilung in einer turbulenten Kanal- und Grenzschichtströmung eingesetzt. Das Verfahren sowie die Herstellung des zu Grunde liegenden Sensors ist eine Neuentwicklung und stellt eine wesentliche Methode in der Untersuchung und physikalischen Interpretation der Dynamik von wandnahen turbulenten Wirbelstrukturen dar.