Dantec Dynamics Präsentation

Report
Fluid Mechanics
Geschäftsbereiche der Dantec Dynamics Gruppe
•
Imaging Systeme
- Allgemeine Strömungsmessung
- Verbrennungsdiagnostik
- Partikelgrößen Bestimmung
•
Fluid Dynamics
- Luft- und Gasströmungsmessung
- Thermischer Komfort
- Strömungsmessung von Flüssigkeiten
- Partikel Größenbestimmung
•
Optimierung von
Produktdesign und
Verbrennungstechnik
Aerodynamik und
Hydrodynamics
Strain/Stress/Vibration
- Dehnungs- und
Spannungsmessungen
- Vibrationsanalysen
- Zerstörungsfreie Material- und
Bauteilprüfung
Optimierung von
Materialien und
Komponenten
Wissenschaftliche Tätigkeiten
Dienstleistungen & Beratung
• Auftragsmessung und Beratungstätigkeit im
Bereich Fluid Mechanics
Experimental Fluid Dynamics
CTA Systeme – Strömung und Turbulenzen
Technik für Punktmessungen in 1D,
2D und 3D Gas- und Flüssigkeitsströmung.
Besonders geeignet für Mikro-Struktur Untersuchungen.
- StreamLine CTA
- MiniCTA
Welche Vorteile bietet die
Hitzdrahtmesstechnik ?
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Großer Dynamikbereich von cm/s bis Überschall
Hohe Genauigkeit - unter Laborbedingungen 1%
Hohe zeitliche Auflösung bis 500 kHz
Hohe räumliche Auflösung 5µm * 1mm
Niedriger Druckabfall durch kleinen Sensor
Kontinuierliches analoges Ausgangssignal
1D , 2D und 3D Messungen
Mehrkanalmessungen
Temperaturmessung
Das Messprinzip I
•
•
Ein dünner Draht, montiert auf zwei parallelen Haltespitzen, wird
der Strömung ausgesetzt.
Wird ein elektr. Strom durch den Draht geleitet, heizt sich dieser
auf (I²RW). Im Gleichgewichtszustand wird diese Wärmemenge in
die Umgebung abgegeben (Konvektion).
Ändert sich die
Strömungsgeschwindigkeit, ändert sich
die Wärmeabfuhr
und damit die
Temperatur des
Drahtes. Der
Regelkreis regelt die
Differenz aus.
Current I
Sensor dimensions:
length ~1 mm
diameter ~5 micrometer
Wire supports
(St.St. needles)
Velocity U
Sensor (thin wire)
Das Messprinzip II
•
•
Der Sensorwiderstand
(Temperatur) wird durch
den Regelkreis konstant
gehalten
Die Wärmeabfuhr ist u.a.
abhängig von der
anliegenden Strömung
Das Messprinzip III
Die Ausgangsspannung über den Draht ist gegeben durch:
E2 = I2Rw2 = Rw(Rw - Ra)(A1 + B1Un)
oder Rw wird durch den Servoverstärker konstant gehalten durch:
E2 = A + BUn
2,4
2,2
E2 =
Rw =
Ra =
A,B =
U =
n =
Ausgangsspannung
Warmwiderstand
Kaltwiderstand
Konstanten, abhängig vom Medium
Strömungsgeschwindigkeit
Exponent , ca. 2-2,5 über 0,1<Re<105
E Volt
•
2
1,8
1,6
5
10
15
20
25
30
35
U m/s
CTA Ausgang als f (U)
40
Sondentypen I
• Miniatur Draht Sonde
Platinierter Wolframdraht,
5 m Durchmesser, 1,2 mm Länge
• Vergoldete Drahtsonde
Gesamtlänge 3 mm,
1,25 mm aktive Sensorlänge
vergoldete Drahtenden
 Vorteile:
- Präzise definierte aktive Sensorlänge
- reduzierte Wärmeabfuhr in die Halterspitzen
- gleichmäßige Temperaturverteilung längs des Drahtes
- geringerer Einfluss der Sondenhalterung in der Strömung
Sondentypen II
•
Filmsonden
Dünner Nickelfilm auf einem Quarzkörper
Zusätzliche Quarzschicht schütz vor Korrosion,
Verschleiß, mechanischer Beschädigung,
elektrische Isolation
•
Fiber-Film Sonden
Dünner Nickelfilm auf einem
drahtähnlichen Quarzstab (70µm)
Sondentypen III
•
X-Sonden für 2D Strömungen
2 Sensoren senkrecht zueinander.
Messwinkel ±45o.
•
Split-Fiber Sonden für 2D Strömungen
2 Filmsensoren gegenüberliegend auf einem
Quarzzylinder
Messwinkel ±90o.
•
Triaxiale Sonde für 3D Strömungen
3 Sensoren jeweils orthogonal zueinander.
Messwinkel innerhalb 70o Konus.
Experimental Fluid Dynamics
LDA Systeme – Strömung und Turbulenzen
Gut etablierte non-intrusive Punktmesssysteme
für 1D, 2D oder 3D
Geschwindigkeitserfassung von Gas- und
Flüssigkeitsströmungen.
- FiberFlow LDA
- FlowLite LDA
- FlowExplorer LDA
Eigenschaften des LDA
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•
Berührungsloses Messen ohne
Rückwirkung auf das Medium
Absolutes Messverfahren
Hohe Genauigkeit, da kein Einfluss durch
Temperatur, Dichte, etc.
Hohe zeitliche Auflösung bis mehrere kHz
Hohe örtliche Auflösung durch kleines
Messvolumen
Physikalisch linearer Zusammenhang
zwischen Strömungsgeschwindigkeit und
Doppler-Signal
Das LDA Prinzip
Strömung
Laser
HeNe
Ar-Ion
Nd:YAG
Diode
PC
Empfangsoptik
mit Detektor
Sendeoptik
Strahlteiler
(Freq. Shift)
Achrom.
Linse
Gas
Flüssigk.
Partikel
Signalverarbeitung
Spektrumanalyse
FFT-Prozessor
Achrom. Linse
Räuml. Filter
Photomultiplier
Photodiode
Signalaufbereitung
Verstärker
Filter
Sendeoptiken
Grundmodule:
• Strahlteiler
• Achromatische
Linsen
BS
Laser
Linse
Optionen:
• Frequenzshift
(Braggzelle)
Braggzelle
– niedr. Geschw.
– Strömungsrichtung
•
Strahlaufweitung
– Verkl. des
Messvolumens
– Erhöhung der
Laserintensität

D E

D
DL
F
Geschwindigkeit = Weg/Zeit
Strömung mit Partikeln
Signal
Prozessor
d (bekannt)
t (gemessen)
Detektor
Zeit
Braggzelle
Laser
Messvolumen
Rückstreulicht
Signalcharakteristiken
•
•
ungefiltertes Signal
gefiltertes Signal
LDA - Interferenzstreifenmodell
•
•
•
•
Das Strahlenkreuz und das Schnitt- bzw. Messvolumen
Ebene Wellenfronten
Interferenz in der Ebene des fokussierten Schnittvolumens
Hell-Dunkel Streifenmuster
Richtungmehrdeutigkeit /
Frequenzverschiebung
•
Partikel gleicher Geschwindigkeit ergeben gleiche
Dopplerfrequenz unabhängig von der Bewegungsrichtung.
f
fmax
fshift
fmin
umin
•
•
u
umax
umin
umax
shift
no shift
Die Einbindung einer Frequenzverschiebung bewirkt eine
konstante Bewegung des Interferenzstreifenfeldes
Reversible Geschwindigkeiten und Geschwindigkeit Null
werden erkannt
Frequenzverschiebung / Braggzelle
•
•
•
•
Akusto-optischer Modulator
Signalgenerator (typisch: 40
MHz)
Frequenzerhöhung um die
Shiftfrequenz
Akustischer Absorber
fs40 MHz
Piezotransducer
fL
Wellenfront

Absorber
fL + fS
LDA Fiber Flow LDA System
3D Messung um ein 1:5 Fahrzeugmodell
in einem Windkanal
Mit freundlicher Genehmigung von Mercedes-Benz, Germany
Messung des Strömungsprofils in einem
Rohr
Strömungsprofile einer turbulenten
Strömung
Umströmung einer Schiffsschraube in
einem Kavitationstank
Mit freundlicher Genehmigung der Universität Rostock, Germany
Wasserströmung in einem Pumpenmodell
Mit freundlicher Genehmigung der Grundfos A/S, DK
Strömungsmessung in einem Ventilmodell
Mit freundlicher Genehmigung der Westsächsische Hochschule Zwickau, Germany
Vergleich von EFD und CFD Ergebnissen
Strömungsfeld zwischen Kühler und
Kondensator
Experimental Fluid Dynamics
PDA Systeme - Partikel Charakterisierung
Berührungslose Analyse der Partikelgröße,
Geschwindigkeit und Massenstrom von
spherischen Partikeln
- FiberPDA Systeme
- DualPDA Systeme
Das PDA Prinzip
Optische Parameter für
einen PDA-Aufbau:
•
•
•
•
X
Strömung
Strahl Schnittwinkel 
Streuwinkel 


Höhenwinkel 

Polarisation
(parallel oder senkrecht
zur Streuebene)
•
Form und Größe der
Detektorblende
Detektor 1

Y
Streuebene
Detektor 2
Z
Streuformen
Die Intensität des Einfallstrahls
wird teilweise reflektiert und
gebrochen.
3. Ordnung 6. Ordnung
2
Reflektion
Das Intensitätsverhältnis ist
durch die Fresnel-Koeffizienten
gegeben und hängt vom
Incident ray
Einfallwinkel, der Polarisation
und dem relativen
Brechungsindex.
-2
-1
8. Ordnung
Der Streuwinkel ergibt sich
durch das Snelliussche Gesetz
Die Phase ergibt sich durch die
optische Pfadlänge des Strahls.
Der Großteil der Intensität ist in
den ersten drei Streumodi
enthalten.
5. Ordnung
np > nm
nm
1
np
1
Brechnung
2 1. Ordnung
4. Ordnung
-1
Brechung
-2
2. Ordnung
7. Ordnung
HiDense PDA
HiDense PDA ist eine Komplettlösung:
•
•
•
•
FiberFlow Sonde mit Argon Laser
HiDense PDA Sonde mit Slit Selector
BSA P80 Prozessor mit großem Geschwindigkeitsbereich
BSA Flow Software
PDA und Ultra-Dense-Sprays
•
•
Herausforderungen:
– Mitte des Sprays erreichen
– Hohe Geschwindigkeitsschwankungen
– Kleine Partikel
Anforderungen
– Kleine Abmessung der
Sonde
– Hohe Laserleistung
– Erweiterte
Signalverarbeitung
Mit freundlicher Genehmigung von Lotus Engineering
Treibstoffeinspritzung bei Automobilen
Photo: AVL, Graz, Austria
Treibstoffeinspritzung bei Flugzeugmotoren
Photo: DLR, Institut für Antriebstechnik, Köln, Germany
Düsendesign
Photo: Gustav Schlick GmbH & Co., Untersiemau, Germany
Partikel Größenbestimmung Kombinationen
Beispiele:
•
HiDense Sprays
– PDA
– High speed
flächenhafte Darstellung
•
Spray
– PDA
– High speed
Schattengrößenbestimmung
•
Shadow size
Visual
Shadow images of sprays
Dr. Tropea, Sales meeting
Treibstoffeinspritzung
– PDA
– Mie/LIF Systeme
PDA Calibrate LIF data from
Formula 1 engine injection
nozzle
Experimental Fluid Dynamics
PIV Produkt Familie
Komplettes Angebot von
Flächenmesssystemen für 2D- und 3DAnwendungen:
- 2D und 3D Standard PIV
- 2D und 3D TR-PIV
- Verstärkte Kameras
- NanoSense Technologie
- µPIV and µLIF
- LII
- Mie/LIF Technik
- Schattentechnik
Was ist Particle Image Velocimetry?
•
Mit PIV kann man unmittelbar
Strömungsgeschwindigkeiten
in einer Ebene messen.
Mit den klassischen CTA- und LDA-Messverfahren kann man
Strömungsgeschwindigkeiten in einem Punkt und über einen
Zeitraum hinweg messen.
0.1
0.05
m /s
•
0
-0.05 0
-0.1
0.5
1
1.5
2
Time
2.5
3
3.5
4
PIV – Was wird benötigt?
•
Das Messverfahren in einfachen Schritten
– Die Strömung wird mit
Partikeln versehen („Seeding“)
– Das Messfeld wird beleuchtet
– Die Kamera macht zwei Bildaufnahmen
– Das Bild wird ausgewertet
Synchronisierung von gepulsten Lasern
Synchronisationseinheit
Doppel-Cavity Pulslaser mit Q-Switch
Testlampe
Freilauf
Cavity 1
Blitzlampe 1
Q-Switch 1
Cavity 2
Blitzlampe 2
Q-Switch 2
Räumliche Auflösung
Abfrageraster
Lint
Räumliche
Auflösung im
Strömungsfeld
Lint
M
Pixel
Gute Kreuzkorrelation
Strömungen um einen LKW-Außenspiegel
• Messung im 1:1 Windkanal
FlowSense
Kamera
Wand mit
Schlitzen
Lichtschnittoptik
Nd:YAG Laser
Ansicht von oben
Nd:YAG Lichtschnitt
4m
Niedrige
Strömungsgeschwindigkeit
10 - 20 m/Sek.
Stromaufwärts
Position
Stromabwärts
Position
LKW
Außenspiegel
an der Fahrerseite
Rauchgenerator
•
•
•
Messposition:
Stromaufwärts
Freie Strömung:
10 m/Sek.
Rauchpartikel
16 x 16
cm
Fläche
LKW
Spiegel
•
•
•
Messposition:
Stromabwärts
Freie Strömung:
10 m/Sek.
Rauchpartikel
Spiegel
LKW
16 x 16
cm
Fläche
PIV-Anwendung für Komfortdesign
Model in Air
Messungen von der HSVA Hamburg / Airbus Bremen
Entstehung der Randwirbel
Vektor Feld
Wirbel
Click on the picture
Vektor Feld und Geschwindigkeitsverteilung
Click on the picture
Wirbel
beide Vortex
Click on the Picture
Solid Mechanics
Dantec Dynamics repräsentiert die Kompetenzen der
Gruppe bei Material-, Komponenten- und
Oberflächenmessungen im elastischen Bereich
Wir liefern innovative
Lösungen für
•
•
•
Dehnungs- und SpannungsAnalysen
Vibrationsmesstechnik
Zerstörungsfreies Prüfen
NDT/NDI
– Berührungsfrei
– Flächenmessung
– 3D
Für jede Anwendung das geeignete Messsystem
DehnungsSpannungsAnalyse
Q-100
Q-300
Q-400
Q-500
Q-600
Vibrations-Analyse
Zerstörungsfreie Qualitätsprüfung
Q-800
Innovative Technologie – Weltweit angewandt!
Automobil
Luft- und Raumfahrt
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