Bildgebender 2D-3C-Laser-Doppler-Feldsensor zur Untersuchung turbulenter Scherströmungen, Teil II

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Für die Vermessung hochturbulente Strömungsfelder, z.B. bei der Zylinderumströmung, ist es unerlässlich, die Geschwindigkeitsinformation über einen kompletten Raumbereich und mit allen drei Geschwindigkeitskomponenten zu erfassen. Üblicherweise werden abbildende, d.h. kamerabasierte Verfahren eingesetzt, die jedoch aufgrund der großen Datenmengen einen hohen Rechenaufwand erfordern und daher langsam sind, und zudem nur eine mäßige Messunsicherheit bieten.Laser-Doppier-Anemometer bieten bezüglich der Zeitauflösung und der Messunsicherheit einen deutlichen Vorteil, sind jedoch nicht bildgebend. In diesem Forschungsvorhaben soll das LDA-Verfahren dahingehend erweitert werden, dass eine ortsverteilte Geschwindigkeitsmessung in einem flächenhaften Raumgebiet (2D) ohne mechanische Traversierung erstmals möglich wird. Der Sensor bestimmt für ein einzelnes Streuteilchen, das das Messvolumen durchquert, zwei Ortskoordination innerhalb eines Messfeldes. Da die Streuteilchen (bei homogenem Seeding und schlupffreier Tracerteilchenbewegung) statistisch über alle Bereiche der Strömung verteilt sind, ist nur eine gewisse Anzahl von Streuteilchen auszuwerten, um das Strömungsfeld zu charakterisieren. Dabei kann durch eine neuartige Signalverarbeitung auch Mehrteilchenstreuung ausgewertet und eine hohe Datenrate erzielt werden. Das Verfahren verwendet keine Kamera, sondern nur eine einzelne faserbasierte Empfangsoptik mit maximal vier Einzeldetektoren, die beliebig im Raum positioniert werden kann. Daher ist das Verfahren zwar bildgebend, aber nicht abbildend, so dass gegenüber kamerabasierten System ein deutlicher Vorteil hinsichtlich Signalverarbeitungsdauer, Ortsauflösung und Messunsicherheit der Geschwindigkeit besteht. In der 2. Phase des Vorhabens soll ebenfalls eine dreikomponentige (3C-) Geschwindigkeitsmessung vorgenommen werden, d.h. der vollständige Geschwindigkeitsvektor soll erfasst werden. Der Fortschritt für die Wissenschaft besteht in einer präzisen Vermessung des Geschwindigkeitsfeldes, der sowohl für die Grundlagenforschung, z.B. der Mikrofluidik, als auch wirtschaftlich z.B. für präzise Durchflussmessungen genutzt werden kann.