Entwicklung eines Versuchsaufbaus für simultane Messungen der Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen kavitierender Ultraschallströmungen mittels kombinierter Differentialinterferometrie und Mikro Partikel Image Velocimetry

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Jeanette Hussong
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266721682

Viele technische Flüssigkeitsströmungen zeichnen sich durch eine inhomogene und transiente Dichteverteilung aus. Diese können beim Wärmeübergang an Wänden, beim Mischen zweier Fluide aber auch bei der Stoßwellenausbreitung in Strömungen entstehen. In all diesen Fällen stehen das Strömungs- und Dichte- bzw. Druckfeld in einer direkten Wechselwirkung zueinander. Für die Untersuchung und Auslegung solcher transienter Strömungsprozesse sollen daher im geplanten Projektvorhaben zwei optische Messtechniken neuartig kombiniert werden, um zeitgleiche Messungen der Dichte- und Geschwindigkeitsverteilungen durchzuführen. Die hierfür eingesetzten Messtechniken beruhen auf der Differentialinterferometrie und der Mikro Particle Image Velocimetry (Mikro-PIV). Für Mikro-PIV Messungen werden Fluidtracer der Strömung beigefügt und deren Konvektionsgeschwindigkeit aus konsekutiv aufgenommenen Bildpaaren ermittelt. Die hierfür gewählte Volumenbeleuchtung der Messtrecke erfolgt mit einem parallelen Laserstrahlengang der zeitgleich für Interferenzaufnahmen genutzt werden kann. Hierbei werden benachbarte Lichtstrahlen zur Interferenz gebracht und aus deren Phasenverschiebungen die Dichtegradienten in der Messtrecke ermittelt. Da Phasenverschiebungen des Strahlenganges durch Brechungsindexänderungen in der Strömung verursacht werden, können mit der selben Messmethode ebenfalls Temperatur- , Konzentrations- oder Druckgradienten ermittelt werden. Der geplante Versuchsaufbau ist so ausgelegt, dass Interferometrie- und Partikelbildaufnahmen mit demselben Laserpuls belichtet werden können. Die Verwirklichung eines solchen Aufbaus wäre nach unserer Kenntnis neu und böte die einzigartige Möglichkeit die Wechselwirkungen zwischen transienten Strömungsfeldern und Ihren Dichte- bzw. Druckverteilungen zu studieren.Das Messprinzip soll zunächst am Beispiel der stationären, laminaren Fluidströmung entlang einer beheizten Platte umgesetzt werden. Danach soll die räumliche Auflösungsbegrenzung und Sensibilität des Differentialinterferometers evaluiert werden. Am Beispiel des Einzelblasenkollapses sollen hierfür Druckamplituden einer Stoßwelle mittels Interferometrie und Sondenhydrophon gemessen und verglichen werden. Als Pilotbeispiel soll die kombinierte Differentialinterferometrie und Mikro-PIV auf ultraschallinduzierte Kavitationsströmungen angewendet werden um den bisher nur qualitativ verstandenen Einfluss des gelösten Gasgehaltes auf die Druckamplituden der Blasenkollapse zu ermitteln. Gewonnene Messergebnisse werden zur Validierung von Simulationsergebnissen genutzt, in denen kavitierenden Mehrblasensysteme aufgrund der großen Zeit- und Raumskalenspanne nur modellhaft abgebildet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen