DE102007027773A1

DE102007027773A1 - Messeinrichtung für eine Wandschubspannung

Info

Publication number: DE102007027773A1
Application number: DE200710027773
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Raffel; Kolja Kindler; Karen Mulleners
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-06-16
Filing date: 2007-06-16
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (1) zur Ermittlung einer Wandschubspannung einer von einer Strömung (2) eines Fluids beaufschlagten Strömungsleitfläche (4).
Erfindungsgemäß besitzt die Strömungsleitfläche (4) eine Verformungsschicht (6), die elastisch ist und durch Beaufschlagung mit der Strömung (2) und die hierdurch hervorgerufene Wandschubspannung im Bereich einer Außenfläche (3) elastisch verformbar ist. Im Bereich der Außenfläche (3) sind Markierungselemente (13) vorgesehen, die sich infolge der Wandschubspannung von einer Referenzposition x_REF zu einer verformten Position x (Markierungselement hier indiziert mit 13') bewegen. Über eine Verarbeitungseinheit (24) kann aus den aufgetretenen Verschiebungen der Markierungselemente die Wandschubspannung an unterschiedlichen Orten der Außenfläche (3) ermittelt werden.
Die Erfindung findet Einsatz für beliebige Körper, die mit strömenden Fluiden beaufschlagt sind, insbesondere Windkanäle mit Prüfkörpern oder auf dem Land, in der Luft oder im Wasser bewegte Körper und Fahrzeuge.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für eine Wandschubspannung einer von einer Strömung eines Fluids beaufschlagten Strömungsleitfläche. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer Wandschubspannung.
STAND DER TECHNIK
Die Ermittlung einer Wandschubspannung eines von einer Strömung eines Fluids umströmten Körpers kann zu unterschiedlichen Zwecken erfolgen, bspw.:

– Die Wandschubspannung gibt Aufschluss über den Strömungszustand des Fluids und/oder Eigenschaften des den Körper umströmenden Fluids. Beispielsweise bedeutet – vereinfacht gesagt – eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids eine Erhöhung der Wandschubspannung. Ebenfalls möglich ist, dass über abrupte Änderungen der Wandschubspannung ein Umschlagen einer laminaren Strömung zu einer turbulenten Strömung erkannt werden kann. Zusammengefasst kann somit über eine Wandschubspannung ein Rückschluss auf eine Strömung und/oder das Fluid ermöglicht werden, ohne dass ein Sensor die Strömung des Fluids selbst beeinflusst oder verfälscht. Hierbei kann die Wandschubspannung als integraler Wert für eine Fläche ermittelt werden, so dass eine integrale Beurteilung des Strömungszustandes in der Fläche ermöglicht ist, oder die Wandschubspannung wird an mehreren Punkten in einer Fläche ermittelt, so dass auch Veränderungen der Strömungsverhältnisse im Bereich der Fläche erfasst werden können.
– Alternativ oder kumulativ kann über die Wandschubspannung der Einfluss der Strömung des Fluids auf den von dem Fluid umströmten Körper erfasst werden. Besonders eindrucksvoll kann dieses anhand der Biomedizin erläutert werden, wo die Wandschubspannung Aufschluss über die Beanspruchung der Venen und Arterien bei deren Durchfluss mit Blut gibt, weshalb die Wandschubspannung in diesem Bereich Gegenstand intensiver Forschungen ist. Entsprechend kann auch bei anderweitigen durch- oder umströmten Körpern, beispielsweise Fahrzeugen, Rohrleitungssystemen u. ä., über eine Erfassung von Wandschubspannungen ein Rückschluss über die Beanspruchungen von Strömungsleitflächen und ggf. deren Verschleiß gewonnen werden.
– Schließlich ist es beispielsweise ebenfalls möglich, über eine Erfassung von Wandschubspannungen Erkenntnisse über Energieverluste, beispielsweise in einem Rohrleitungssystem für ein Fluid, zu gewinnen.

Üblicherweise werden für eine Messung von Wandschubspannungen thermoresistive Oberflächensensoren und Sensorarrays, die eine stationäre oder instationäre Erfassung von Wandschubspannungen ermöglichen, eingesetzt. Weiterhin werden neben konventionellen Oberflächenheißfilmen auch mikrotechnisch gefertigte Heißfilme (so genannte mikro-elektromechanische Systeme oder "MEMS") sowie Oberflächenhitzdrähte eingesetzt. Die wandbündig anzuordnenden Hitzdrähte zeichnen sich durch eine besonders günstige thermodynamische Anordnung des Sensorelements aus und erlauben daher eine gegenüber klassischen Heißfilmen verbesserte dynamische Signalauflösung. Weiterhin lassen sich mit einer dünnen Polyimide-Folie (KAPTON-Folie) als Substrat flexible Sensorarrays herstellen, mit denen auch dreidimensional gekrümmte Konturen instrumentiert werden können. Ebenfalls möglich ist, dass eine Ermittlung einer Wandschubspannung mit Hilfe von Drucksonden erfolgt, insbesondere mit so genannten Preston-Rohren. Weiterhin ist es bekannt, eine Wandschubspannung dadurch zu visualisieren, dass eine von der Strömung eines Fluids beaufschlagte Strömungsleitfläche mit einer Gelschicht versehen wird, die infolge der Strömung und in Abhängigkeit von der Wandschubspannung deformiert wird. Für bekannte Eigenschaften des in der Gelschicht eingesetzten Gels kann aus einer gemessenen Deformation die Wandschubspannung ermittelt werden. Hierzu kann eine Speckle-Muster-Interferometrie zum Einsatz kommen.
Für industrielle Anwendungen, beispielsweise bei Flugzeugen, ist neben den statischen und dynamischen Eigenschaften von Oberflächensensoren auch eine mechanische Robustheit des eingesetzten Sensors von großem Interesse. Andere Beurteilungskriterien für Sensoren, die zur Erfassung einer Wandschubspannung eingesetzt werden, sind die Dimensionen eines Sensors oder Sensorelements, welche die räumliche Auflösung der Wandschubspannung beeinflussen, das Handling des Sensors, das dynamische Verhalten, die Größe der Wechselwirkung mit der Strömung, die einen Rauschanteil und etwaige erforderliche Verstärkungsmaßnahmen beeinflusst, die Herstellung sowie eine Temperaturabhängigkeit. Problematisch bei dem Einsatz von MEMS ist, dass diese in der Regel nicht in der Lage sind, neben der Größe der Wandschubspannung auch deren Richtung zu erkennen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Messeinrichtung zur Erfassung einer Wandschubspannung einer von einer Strömung eines Fluids beaufschlagten Strömungsleitfläche vorzuschlagen. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Erfassen einer Wandschubspannung vorzuschlagen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich entsprechend den abhängigen Patentansprüchen 2–10. Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung mit einem Verfahren entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche 12 und 13.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Messeinrichtung für mindestens eine Wandschubspannung einer von einer Strömung eines Fluids beaufschlagten ebenen oder beliebig gekrümmten, geknickten oder gestuften Strömungsleitfläche. Hierbei kann es sich um eine diskrete, lokale Wandspannung handeln, eine über einen Bereich gemittelte Wandschubspannung, um mehrere diskrete oder gemittelte Wandschubspannungen oder Wandschubspannungsverläufe entlang beliebiger (insbesondere geradliniger oder gekrümmter) Koordinatenachsen oder im Raum. Möglich ist, dass eine Wandschubspannung als absolute Größe erfasst wird oder eine Wandschubsspannungsänderung. Weiterhin kann alternativ oder kumulativ zu der Erfassung eines Betrages der Wandschubspannung oder deren Änderung einer Richtung der Wandschubsspannung unter Einsatz der vorliegenden Erfindung erfasst werden Bei dem die Strömungsleitfläche beaufschlagenden Fluid kann es sich um eine beliebige Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch handeln.
Unter einer erfindungsgemäßen Strömungsleitfläche wird eine beliebige Fläche verstanden, welche mit der Strömung des Fluids in Wirkverbindung treten kann unter Erzeugung einer Wandschubspannung. Beispielsweise handelt es sich bei der Strömungsleitfläche um eine Außenfläche eines in einem Fluid bewegten Körpers, wie eines Luft- und Raumfahrzeugs, eines Kraftfahrzeugs, eines fliegenden Objekts, oder einen ruhenden oder bewegten Körper, an dem das Fluid vorbeigeführt wird oder durch den das Fluid hindurchgeführt wird, insbesondere ein Rohr, einen Kanal oder Windkanal o. ä.
In der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ist ein Verformungselement vorgesehen. Die Materialeigenschaften und/oder die konstruktive Ausgestaltung und Dimensionierung des Verformungselements ist derart, dass dieses durch die Strömung des Fluids elastisch verformbar ist. Damit das Verformungselement durch die Strömung des Fluids verformt werden kann, ist dieses im Bereich der Strömungsleitfläche angeordnet. Für den Fall, dass mit der Messeinrichtung die Wandschubspannung eines ohnehin vorhandenen Körpers im Bereich seiner Strömungsleitfläche erfasst werden soll, bildet vorzugsweise das Verformungselement die von dem Fluid beaufschlagte Außenkontur des Körpers nach und ist Teil der Strömungsleitfläche. Beispielsweise kann ein Teil der Außenfläche der Strömungsleitfläche entfernt sein und durch das Verformungselement ersetzt sein, wobei die Außenkontur der Strömungsleitfläche mit dem Verformungselement der ursprünglichen Strömungsleitfläche ohne das Verformungselement entspricht. Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Gelschicht zur Visualisierung der Wandschubspannung ist das Verformungselement als ein Festkörper ausgebildet.
Weiterhin beinhaltet die erfindungsgemäße Messeinrichtung mindestens ein Markierungselement. Die absolute Position oder eine relative Position eines derartigen Markierungselements gegenüber einem weiteren Markierungselement oder einer Referenzposition ist von der elastischen Verformung des Verformungselements abhängig. Vorzugsweise ist das mindestens eine Markierungselement an oder in dem Verformungselement vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Verformung eines Teilbereichs der Strömungsleitfläche in Flächenrichtung für elastische Ausbildung der Strömungsleitfläche eine Folge der Wandschubspannung ist. Somit ist ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Wandschubspannung und der Verformung gegeben, wobei die Abhängigkeit ja nach vorliegendem Material durch die Elastizität der Strömungsleitfläche, hier des Verformungselements, und deren konstruktive Ausgestaltung und Dimensionen beeinflusst ist. Im einfachsten Fall ist die Elastizität eine Proportionalitätskonstante zwischen der Wandschubspannung und der Verformung. Über die Wahl der Steifigkeit des Verformungselements und/oder die Dimensionierung desselben kann damit eine Art Verstärkungsfaktor für die hervorgerufene Verformung als Folge der Wandschubspannung konstruktiv vorgegeben werden.
Zur Umwandlung der zuvor erläuterten Verformung in ein geeignetes Mess- oder Auswertesignal ist weiterhin erfindungsgemäß ein Erfassungsorgan vorgesehen, über welches eine Veränderung der Position eines Markierungselements oder der relativen Position von zwei Markierungselementen erfassbar ist. Für ein derartiges Erfassungsorgan können beliebige bekannte Mittel zur Erfassung eines Wegs oder einer Verformung Einsatz finden, wobei zu vermeiden ist, dass über das Erfassungsorgan eine Beeinflussung der Strömung des Fluids und der Geometrie und der Spannungszustände der Strömungsleitfläche erfolgt. Aus diesem Grund ist ein berührungslos arbeitendes Erfassungsorgan zu bevorzugen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung sind stationäre oder instationäre, u. U. hochdynamische Wandschubspannungen und Wandschubspannungsänderungen messbar, wobei die Wandschubspannung diskret, als integraler Wert oder kontinuierlich oder räumlich aufgelöst werden kann. Zur Vereinfachung wird in den Patentansprüchen und in der folgenden Beschreibung teilweise auf ein einzelnes Markierungselement oder wenige Markierungselemente Bezug genommen, wobei eine Vervielfältigung dieser Markierungselemente zur Erhöhung der Zahl der Messpunkte oder -bereiche möglich ist, ohne dass das grundsätzliche erfindungsgemäße Prinzip verlassen wird.
Von der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind zwei prinzipielle Grundvarianten umfasst:

a) Im einfachsten Fall ruht das Erfassungsorgan relativ zu der Strömungsleitfläche und dem Verformungselement. Ist in diesem Fall eine Referenzposition eines Markierungselements vor Beaufschlagung mit der Strömung oder Veränderung einer Strömung bekannt sowie eine Position desselben Markierungselements nach Beaufschlagung des Markierungselements mit der Strömung oder Änderung der Strömung, so kann aus einem Vergleich der Referenzposition mit der Position auf die Wandschubspannung im Bereich des Markierungselements rückgeschlossen werden. Somit kann über eine Beobachtung einer Veränderung einer Position eines Markierungselements die Wandschubspannung im Bereich des Markierungselements detektiert werden. Doch selbst ohne Kenntnis einer Referenzposition für nicht mit einer Strömung beaufschlagten Strömungsleitfläche kann aus einer Veränderung der Position eines Markierungselements auf eine Wandschubspannungsänderung geschlossen werden.
b) Für den Fall, dass sich die Strömungsleitfläche gegenüber einem Erfassungsorgan mit einer, u. U. unbekannten unveränderlichen Geschwindigkeit, bewegt, kann eine Veränderung der Position eines Markierungselements zwei unterschiedliche Ursachen haben: – einerseits kann die Veränderung der Position des Markierungselements durch die Relativbewegung der Strömungsleitfläche gegenüber dem Erfassungsorgan verursacht sein, ohne dass eine Änderung der Wandschubspannung gegeben ist, – während andererseits die Änderung der Position des Markierungselements teilweise oder ausschließlich durch eine Veränderung der Wandschubspannung bedingt sein kann.

In einem derartigen Fall kann die Auswertung einer alleinigen Positionsänderung für das Markierungselement nicht ohne Weiteres zur Bestimmung der beiden Unbekannten Wandschubspannung und Relativbewegung genutzt werden.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn ein weiteres Markierungselement vorgesehen ist, dessen Position nicht von den Wandschubspannungen im Bereich der Strömungsleitfläche abhängig ist oder nur in geringerem Ausmaß abhängig ist. Über dieses weitere Markierungselement kann dann durch das Erfassungsorgan die Relativbewegung zwischen Strömungsleitfläche und Erfassungsorgan ermittelt werden. Alternativ oder kumulativ kann für das Markierungselement oder mehrere derartige Markierungselemente die Verformung infolge der Wandschubspannung und somit die Wandschubspannung selbst ermittelt werden, wozu eine Änderung der relativen Position des/der Markierungselemente(s) gegenüber dem/n weiteren Markierungselement(en) ausgewertet wird.
Während das Verformungselement beliebige Gestalt aufweisen kann, beispielsweise eine stabförmige oder ringförmige Geometrie, ist gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung das Verformungselement als eine die Strömungsleitfläche zumindest teilweise überdeckende Verformungsschicht ausgebildet. Mit einer derartigen Verformungsschicht ist die Erfassung einer integralen Wandschubspannung im Bereich der Verformungsschicht oder aber die Erfassung der Wandschubspannung an mehreren Orten möglich. Für eine Verformungsschicht konstanter Schichtdicke wird die Kontur einer messtechnisch zu erfassenden Strömungsleitfläche nicht wesentlich geändert. Weiterhin ist eine Verformungsschicht u. U. besonders einfach zu erzeugen, beispielsweise durch Aufbringen einer Folie, durch Aufbringung eines flüssigen, aushärtenden Materials oder Auflaminieren der Verformungsschicht. Im Fall einer Verbindung einer festen, separat gefertigten Verformungsschicht mit der Strömungsleitfläche können vor der Herstellung der Verbindung der Verformungsschicht mit der Strömungsleitfläche die elastischen Eigenschaften des Verformungselements messtechnisch ermittelt werden und über die Herstellungsweise dieser Schicht konstruktiv vorgegeben werden.
Entsprechend einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind zwei Gruppen von Markierungselementen in unterschiedlichen Tiefen in der Verformungsschicht angeordnet, wobei es sich bei der ersten Gruppe beispielsweise um Markierungselemente handelt, deren Veränderung der Position in großem Ausmaß von der Verformung des Verformungselements abhängig ist, während die Markierungselemente der zweiten Gruppe als zuvor als weitere Markierungselemente bezeichnete Markierungselemente ausgebildet sind, deren Veränderung der Position zumindest in verringertem Ausmaß von einer Wandschubspannung abhängig ist, in jedem Fall aber von einer etwaigen Relativbewegung zwischen Strömungsleitfläche und Erfassungsorgan. Somit können in der Verformungsschicht die erforderlichen Elemente angeordnet sein, die auch bei Auftreten einer Relativbewegung zwischen Strömungsleitfläche und Erfassungsorgan eine zuverlässige Bestimmung der Wandschubspannungen ermöglichen.
Zur Trennung der zuvor erläuterten unterschiedlichen Effekte einerseits einer Verformung infolge der Wandschubspannung und andererseits einer Positionsänderung infolge einer Relativbewegung ist es als vorteilhaft erkannt worden, wenn die Markierungselemente der unterschiedlichen Gruppen in der Verformungsschicht möglichst weit voneinander entfernt angeordnet sind in Dickenrichtung der Verformungsschicht, da hierdurch für eine gegebene Steifigkeit der Verformungsschicht eine maximale Verstärkung der Positionsänderung infolge der Wandschubspannung erzielt werden kann. Demgemäß ist die erste Gruppe der Markierungselemente auf der dem Fluid zugewandten Außenseite der Verformungsschicht angeordnet, wo große Verformungen infolge der Schubspannung auftreten. Die zweite Gruppe von Markierungselementen ist auf der dem Fluid abgewandten Seite der Verformungsschicht angeordnet, wo die Verformungen infolge der Wandschubspannung verschwindend klein sind. Hierunter sind auch Ausführungsformen zu subsumieren, bei denen die jeweiligen Markierungselemente noch bis zu einer Tiefe von 10% der Verformungsschicht in diese eingebettet sind.
Für eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sind die Markierungselemente als diskrete, lokale Markierungselemente ausgebildet, wobei diese in einer regelmäßigen Matrix oder auch zufällig verteilt sein können. Die Flächendichte der Markierungselemente kann hierbei konstant sein oder unterschiedlich sein.
Für eine alternative erfindungsgemäße Ausgestaltung sind die Markierungselemente als globale kontinuierliche Markierungselemente ausgebildet. Beispielsweise kann ein geradenförmiges Markierungselement Einsatz finden. Wirkt auf ein derartiges Markierungselement eine Wandschubspannung quer zur Längserstreckung der Geraden, welche in Richtung der Längsachse des Markierungselements eine veränderliche Größe besitzt, führt die elastische Verformung des Verformungselements dazu, dass infolge der veränderlichen Wandschubspannung das ursprünglich geradlinige Markierungselement nach der Verformung kurvenförmig ist. Ein Vergleich der ursprünglichen Geradenform mit der verformten Kurvenform gibt Aufschluss über die Wandschubspannung, wobei auch ohne Kenntnis der ursprünglichen Position des Markierungselements aus dem Kurvenverlauf des verformten Markierungselements Aufschlüsse über einen Gradienten der Wandschubspannung in Längsrichtung des Markierungselements gewonnen werden können.
Während der Erfassung der Verformung auch bspw. über eine geeignete Wegerfassung mit an sich bekannten Wegsensoren, einen Verformungssensor oder Umwandlung der Verformung über eine mechanische Verbindung oder getriebliche Verbindung möglich ist, ist für eine besondere Ausführungsform der Erfindung das Erfassungsorgan mit einem Bilderfassungsorgan ausgebildet, wobei beispielsweise eine CCD-Kamera, eine C-MOS-Kamera oder eine Digitalkamera Einsatz finden kann. Derartige Kameras stellen bei verhältnismäßig geringen Kosten eine große oder hinreichende Auflösung bereit und ermöglichen eine einfache anschließende Bildbearbeitung und Auswertung über eine Computer-basierte Verarbeitungseinheit. Für den Fall, dass Markierungselemente in unterschiedlichen Schichten in der Verformungsschicht angeordnet sind oder zumindest teilweise im Inneren der Verformungsschicht angeordnet sind, erfordert die Erfassung einer Position eines derartigen Markierungselements durch ein Erfassungsorgan, dass das Markierungselement optisch sichtbar ist. Hierunter wird auch die Ausbildung der Verformungsschicht mit einem gegenüber einer beliebigen Strahlung durchlässigen Material verstanden mit einem für die Strahlung undurchlässigen oder weniger durchlässigen Material für das Markierungselement. Diese Ausgestaltung kann Einsatz finden, wenn die Verformungsschicht von einer Strahlungsquelle durchleuchtet wird und eine Bilderfassung auf der der Strahlungsquelle abgewandten Seite der Verformungsschicht erfolgt. Entsprechend kann für die Markierungselemente ein eine Strahlung stärker reflektierendes Material eingesetzt werden für den Fall, dass eine Bilderfassung nach Reflektion der Strahlung einer Strahlungsquelle, vorzugsweise auf derselben Seite wie die Strahlungsquelle, erfolgt. Von Vorteil kann es weiterhin sein, wenn Markierungselemente und weitere Markierungselemente der ersten und zweiten Gruppe unterschiedliche Reflektionsverhalten und/oder Strahlungsdurchlässigkeitseigenschaften besitzen, so dass diese durch das Erfassungsorgan voneinander unterschieden werden können.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist die Verformungsschicht mit einem Polymermaterial gebildet, welches einfach und kostengünstig verfügbar ist, auf einfache Weise auf die Strömungsleitfläche aufbringbar ist, adhäsiv an der Strömungsleitfläche anhaften kann und/oder die gewünschten Strahlungsdurchlässigkeits-Eigenschaften oder Strahlungsreflektions-Eigenschaften aufweisen kann.
In alternativer Ausgestaltung ist die Verformungsschicht mit Mikrofasern gebildet. Hierbei können Endbereiche der Mikrofasern an die Strömungsleitfläche angebunden sein, während die gegenüberliegenden Endflächen in die Strömung geringfügig hineinragen. Die Mikrofasern verformen sich infolge der Strömung, ähnlich mehreren Haaren oder Gräsern im Wind, wobei mit erhöhter Strömung und damit erhöhter Wandschubspannung eine stärkere Auslenkung der Mikrofasern erfolgt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur messtechnischen Erfassung einer Wandschubspannung können mehrere Markierungselemente stochastisch über die Strömungsleitfläche verteilt sein. Bei einer automatisierten Verarbeitung eines Bilds eines Bilderfassungsorgans zur Ermittlung einer Veränderung der Position von Markierungselementen kommt eine Kreuzkorrelationsfunktion oder eine Autokorrelationsfunktion zum Einsatz für Signale, die aus dem mindestens einen Bild gewonnen worden sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine Messeinrichtung in schematischer Darstellung.
2 zeigt ein beispielhaftes Bild eines Bilderfassungsorgans einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung vor Beaufschlagung einer Strömungsleitfläche mit Verformungselement und Markierungselementen unterschiedlicher Gruppen.
3 zeigt ein beispielhaftes Bild eines Bilderfassungsorgans einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung unter Beaufschlagung einer Strömungsleitfläche mit Verformungselement und Markierungselementen unterschiedlicher Gruppen.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung 1. Eine Strömung 2 eines Fluids bewegt sich zumindest mit einer Strömungskomponente und/oder partiell parallel zu einer Außenfläche 3 einer Strömungsleitfläche 4. Die Strömungsleitfläche 4 ist mit einem Grundkörper 5 gebildet, auf den auf der der Strömung 2 zugewandten Seite eine Verformungsschicht 6 aufgebracht ist. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 5 eben ausgebildet und die Verformungsschicht 6 mit konstanter Wandstärke, wobei beliebige andere Geometrien und Konturen möglich sind. Die Verformungsschicht 6 besitzt auf der der Strömung 2 zugewandten Außenfläche 3 oder in dieser Markierungselemente 7, die eine erste Gruppe 8 bilden, während auf oder in einer Innenfläche 9 der Verformungsschicht 6 im Übergangsbereich zu dem Grundkörper 5 Markierungselemente 10 vorgesehen sind, die einer zweiten Gruppe 11 zugeordnet sind. Unter Annahme eines ideal steifen Grundkörpers 5 kommt es infolge einer elastischen Ausbildung der Verformungsschicht 6 und der im Bereich der Außenfläche 3 mit der Verformungsschicht 6 in Wechselwirkung tretenden Strömung 2 zu einer Verformung der Verformungsschicht 6 in in 1 horizontaler Richtung. Hierbei nimmt die Verformung entsprechend dem Verlauf 12 von 0 im Bereich der Innenfläche 9 in Richtung der Außenfläche 3, beispielsweise wie dargestellt linear, zu. Dies hat zur Folge, dass sich eine Referenzposition x_REF eines Markierungselements 13 im Bereich der Außenfläche 3 verändert zu einer Position x. Zur Verdeutlichung ist das Markierungselement 13 in verformter Position mit Bezugszeichen 13' gekennzeichnet). Auch für die weiteren Markierungselemente 7 im Bereich der Außenfläche 3 erfolgt eine Verformung entsprechend der im Bereich der Markierungselemente 7 wirkenden Wandschubspannung. Hingegen verändern die Markierungselemente 10 im Bereich der Innenfläche 9 ihre Position nicht nach Maßgabe der Strömung 2. Eine Veränderung der Position x_V erfolgt lediglich, wenn sich die gesamte Strömungsleitfläche 4 bewegt.
Über ein Bilderfassungsorgan 14 wird ein Bild 25 von den Markierungselementen 7, 10, 13 vor Einwirken der Strömung 2 auf die Verformungsschicht 6 aufgenommen, welches beispielhaft in 2 dargestellt ist, sowie ein weiteres Bild 26 bei Einwirkung der Strömung 2 auf die Markierungselemente 7, 10, 13 aufgenommen, welches in 3 dargestellt ist. Von dem Bilderfassungsorgan 14 werden den Bildern 25, 26 zumindest teilweise entsprechende oder aus diesen gewonnene Bilddaten 15 an eine Bilderkennungseinrichtung 16 übermittelt.
In der Bilderkennungseinrichtung 16 erfolgt eine Identifikation der Positionen x_V, x, x_REF der Markierungselemente 7, 10, 13 vor und während des Einwirkens der Strömung 2. Beispielsweise kann für die Bilder gemäß 2 und 3 das Überschreiten eines Schwellwerts einer Graustufe für die einzelnen Pixel überprüft werden, wobei ein Überschreiten des Schwellwerts eine Position eines Markierungselements indizieren kann. Besitzen die Markierungselemente 7 und 10 unterschiedliche Strahlungsdurchlässigkeits- oder Strahlungsreflektions-Eigenschaften, kann über eine vorliegende Grau- oder Farbstufe eine Unterscheidung der Markierungselemente 7, 10 der unterschiedlichen Gruppen 8, 11 erfolgen. Die Referenzpositionen x_REF,1; X_REF,2, ... x_REF,N sowie die Positionen x₁, x₂, ... x_N werden als Daten 17 an eine Verformungserkennungseinrichtung 18 übermittelt, die Verformungen Δx aus der Differenz von x und X_REF ermittelt (Δx = x₁ – x_REF,1; ΔX₂ = x₂ – x_REF,1; ... Δx_N = x_N – x_REF,N.
Die derart ermittelten Verformungen Δx werden als Daten 19 an eine Wandspannungsermittlungseinrichtung 20 übermittelt, welche über eine a priori vorgegebene Abhängigkeit die ermittelten Verformungen Δx in eine Wandschubspannung τ umrechnet. Die Wandschubspannungen τ werden dann als Daten 21 an eine Ausgabeeinrichtung 22 übergeben.
Bei einer derartigen Ausgabeeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Drucker, einen Bildschirm o. ä. handeln, wo die ermittelten Wandschubspannungen in geeigneter Form für einen Benutzer ausgegeben werden können. Dies kann beispielsweise in Form maximal ermittelter Wandschubspannungen, gemittelter Wandschubspannungen, Wandschubspannungsverteilungen, Wandschubspannungsverläufen, Feldern von Wandschubspannungen, dreidimensionalen Darstellungen erfolgen, wobei die Ausgabe auch in Form von Vektorfeldern erfolgen kann, bei denen für jeden Messpunkt die Richtung der ermittelten Wandschubspannung durch eine Pfeilrichtung angedeutet ist und der Betrag der ermittelten Wandschubspannung durch die Länge des Pfeils dargestellt ist. Ebenfalls möglich ist die matrixartige Darstellung des Betrags der ermittelten Wandschubspannung über eine Farbcodierung.
Die Einrichtungen 16, 18, 20, 22 können vollständig oder teilweise in eine CPU 23 integriert sein oder Teil eines Netzwerks sein. Die Bilderkennungseinrichtung 16 und die Verformungserkennungseinrichtung 18 bilden gemeinsam eine Verarbeitungseinheit 24, über die aus mindestens einem Bild des Bilderfassungsorgans 14 Positionen der Markierungselemente 7, 10, 13, Veränderungen der Positionen der Markierungselemente 7, 10, 13 und/oder Veränderungen der relativen Position der Markierungselemente 7, 10, 13 unterschiedlicher Gruppen 8, 11 ermittelt werden können.
Eine Abhängigkeit zwischen den Verformungen Δx und der Wandschubspannung τ kann a priori analytisch ermittelt und vorgegeben werden oder durch eine geeignete Kalibriermessung erzeugt werden und in der Wandspannungsermittlungseinrichtung 20 implementiert werden.
Für die Ermittlung eines Schubspannungsgradienten benachbarter Markierungselemente muss die Verformungsschicht 6 nicht lediglich eine Verformung erfahren können, die infolge einer Schubspannung zwischen Teilschichten der Verformungsschicht auftritt und durch eine erste Umrechungscharakteristik zwischen der Wandschubspannung und der resultierenden Verformung approximiert werden kann. Vielmehr muss auch eine Verformung zwischen den benachbarten Markierungselementen möglich sein. Für eine relative Verformung benachbarter Markierungselemente in Richtung der Koordinate x in 1 muss somit eine Verformbarkeit infolge einer Normalspannung in einer Fläche mit einer Flächennormalen in Richtung der Koordinate x gegeben sein, die durch eine zweite Umrechungscharakteristik zwischen der Wandschubspannungsänderung und der resultierenden relativen Verformung der benachbarten Markierungselemente approximiert werden kann. Da unter Umständen eine konstante Strömung im Bereich der Außenfläche 3 zu einer anderen Verformung führt als eine entsprechende, aber lediglich lokale Strömung und damit die erste und zweite Umrechnungscharakteristik voneinander abweichen, kann in der Wandspannungsermittlungseinrichtung eine verbesserte Approximation der Wandschubspannungen erfolgen, wenn sowohl die erste Umrechnungscharakteristik als auch die zweite Umrechnungscharakteristik oder geeignete Kombinationen Einsatz finden je nach Ausmaß des Verformungsgradienten der Verformung Δx. Dieses resultiert darin, dass für einen gegebene Verformung Δx eines Markierungselementes der Betrag einer ermittelten Wandschubspannung unterschiedlich ist je nach dem Verformungsgradient zu einem benachbarten Markierungselement.
Während für aus dem Stand der Technik bekannte Messverfahren unter Einsatz eines durch die Strömung verformbaren Gels eine unerwünschte, das Messergebnis verfälschende Verformung infolge einer normal zur Außenfläche 3 wirkenden Strömung auftreten kann, wird für die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Verformung Δx nicht durch derartige Strömungskomponenten erzeugt, die zwar die Verformungsschicht 6 verformen können, allerdings nur in vertikaler Richtung in 1, nicht jedoch in horizontaler Richtung.
Während in den 2 und 3 lediglich die Positionen und Verformungen in horizontaler Richtung x kenntlich gemacht sind, kann selbstverständlich entsprechend und alternativ oder ergänzend eine Auswertung von Positionen und Verformungen bzgl. einer y-Koordinate, also in vertikaler Richtung in den 2 und 3, erfolgen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für eine Ermittlung der Wandschubspannung auf Basis einer Erfassung einer Verschiebung mindestens eines Markierungselements erläutert:
Betrachtet man zur Verdeutlichung eine laminare Plattengrenzschicht, so ist bekannt, dass die lokale Wandschubspannung (τ) nach Blasius eine Funktion der Anströmungsgeschwindigkeit (U_∞) der Dichte des strömenden Mediums (ρ) und der lokalen Reynoldszahl (Re_χ), gebildet mit der Vorlauflänge (x) und der kinematischen Viskosität (ν) ist. τ0 = 0.322(ρU∞ 2)/(√Reχ) mit Reχ = U∞x/ν
Unter Standardbedingungen folgt für eine Luftströmung mit U_∞ = 20 m/s eine Wandschubspannung von der Ordnung τ ≈ 0.5 N/m².
Die resultierende Verformung einer elastischen Schicht auf der Plattenoberfläche (Δx) ist eine lineare Funktion der elastischen Eigenschaften des Materials, gegeben als Schubmoduln (G), der Schichtdicke (h) und τ. G = τ/(Δx/h)
Somit kann für ein bekanntes G im Bereich G = 50 – 5000 Pa, für Schichtdicken von h = 0.1 – 10 mm eine Verformung von der Ordnung Δx = O (10^–6 m) als Resultat der oben genannten Wandschubspannung abgeschätzt werden.
Andererseits kann über eine gemessene Verformung Δx oder ein Feld von Verformungen Δx an mehreren Messorten x_i,j und Kenntnis von G und h auf die an dem Ort/den Orten x Schubspannung τ bzw. τ_i,j rückgeschlossen werden. Selbstverständlich ist auch eine anderweitige Umrechnung unter Einsatz linearer oder nicht linearer Abhängigkeiten τ = f(Δx) oder experimentell ermittelter Kennfelder möglich.

1: Messeinrichtung
2: Strömung
3: Außenfläche
4: Strömungsleitfläche
5: Grundkörper
6: Verformungsschicht
7: Markierungselement
8: erste Gruppe
9: Innenfläche
10: Markierungselement
11: zweite Gruppe
12: Verlauf
13: Markierungselement
14: Bilderfassungsorgan
15: Bilddaten
16: Bilderkennungseinrichtung
17: Daten
18: Verformungserkennungseinrichtung
19: Daten
20: Wandspannungsermittlungseinrichtung
21: Daten
22: Ausgabeeinrichtung
23: CPU
24: Verarbeitungseinheit
25: Bild
26: Bild

Claims

Messeinrichtung (1) für eine Wandschubspannung einer von einer Strömung (2) eines Fluids beaufschlagten Strömungsleitfläche (4) mit a) einem durch die Strömung (2) des Fluids elastisch verformbaren Verformungselement, welches als elastischer Festkörper ausgebildet ist und im Bereich der Strömungsleitfläche (4) angeordnet ist, b) mindestens einem Markierungselement (7; 13), dessen absolute Position (x) oder relative Position gegenüber einem weiteren Markierungselement (10) von der elastischen Verformung des Verformungselements abhängig ist, und c) einem Erfassungsorgan, über welches eine Veränderung der Position eines Markierungselements (7) oder der relativen Position von zwei Markierungselementen (7, 10) erfassbar ist.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungselement als eine die Strömungsleitfläche (4) zumindest teilweise flächig überdeckende Verformungsschicht (6) ausgebildet ist.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gruppen (8, 11) von Markierungselementen (7, 10) in unterschiedlichen Tiefen in der Verformungsschicht (6) angeordnet sind.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe (8) von Markierungselementen (7) auf oder in der dem Fluid zugewandten Außenfläche (3) der Verformungsschicht (6) angeordnet ist, während eine zweite Gruppe (11) von Markierungselementen (10) auf oder in der dem Fluid abgewandten Seite (Innenfläche 9) der Verformungsschicht (6) angeordnet ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Markierungselemente (7, 10, 13) als diskrete lokale Markierungselemente ausgebildet sind.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Markierungselemente als globale kontinuierliche Markierungselemente ausgebildet sind.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsorgan mit einem Bilderfassungsorgan (14) ausgebildet ist.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verarbeitungseinheit (24) vorgesehen ist, über die aus mindestens einem Bild (25, 26) des Bilderfassungsorgans (14) – Positionen der Markierungselemente (7) und/oder – Veränderungen der Positionen der Markierungselemente (7) und/oder – Veränderungen der relativen Position der Markierungselemente (7, 10) unterschiedlicher Gruppen (8, 11) bestimmbar sind.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsschicht (6) mit einem Polymermaterial gebildet ist.
Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungsschicht (6) mit Mikrofasern gebildet ist.
Verfahren zum Erfassen einer Wandschubspannung einer von einer Strömung (2) eines Fluids beaufschlagten Strömungsleitfläche (6) mit einer Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Verfahrensschritten: a) Vorgabe einer Referenzposition (x_REF) für ein Markierungselement (7), b) Beaufschlagung der Strömungsleitfläche (4) und des Verformungselements (6) mit der Strömung (2) des Fluids, c) Erfassung einer veränderten Position (x) des oder eines Markierungselements (7) infolge einer Verformung des Verformungselements, die durch die Strömung (2) des Fluids verursacht ist, d) Erzeugung einer Messgröße für die Wandschubspannung unter Berücksichtigung eines Vergleichs der veränderten Position (x) des Markierungselements (7) mit der Referenzposition (x_REF) des Markierungselements (7).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich des Verformungselements (Verformungsschicht 6) über ein Bilderfassungsorgan (14) erfasst wird und in einer Verarbeitungseinheit (24) über eine automatisierte Verarbeitung des Bilds des Bilderfassungsorgans (14) die Positionsänderung des Markierungselements (7) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass a) mehrere Markierungselemente (7) stochastisch über die Strömungsleitfläche (4) verteilt sind und b) bei einer automatisierte Verarbeitung des Bilds zur Ermittlung einer Positionsänderung (Δx) der Position von Markierungselementen (7) eine Kreuzkorrelationsfunktion oder Autokorrelationsfunktion von aus dem Bild gewonnenen Signalen oder Daten verwendet wird.