Ein Mikrostruktur-Sensorkonzept zur bildgebenden Vermessung der instationären zweidimensionalen Wandschubspannungsverteilung in turbulenten Strömungen
Final Report Abstract
Ziel des Projekt war die Herstellung und Entwicklung eines neuartigen Sensors zur Vermessung der zweidimensionalen Wandschubspannungsverteilung in turbulenten Strömungen. Der Sensor basiert auf kleinen flexiblen Mikrozylindern aus Polydimethylsiloxan (PDMS). Diese Mikrozylinder werden wandbündig in die viskose Unterschicht eingebracht und deren strömungsinduzierte Verbiegung am Kopf mittels abbildender optischer Verfahren vermessen. Die Verbiegung der Zylinder ist in erster Näherung proportional zur Wandschubspannung, solange die charakteristischen Skalenlängen der Mikrozylinder im Mikrometerbereich liegen und die Trägheitskräfte vernachlässigt werden können. Hinzu kommt die Annahme eines linearen Geschwindigkeitsgradienten in der viskosen Unterschicht für die mittlere Geschwindigkeit und für die Schwankungsgrößen, was für größere Reynolds-Zahlen nach der Ableitung von Hinze der Fall ist. Daraus folgt, dass ein linearer Lastfall entlang der Höhe des Zylinders vorliegt, denn die reibungsbedingten Kräfte auf den Mikrozylinder sind proportional zur Geschwindigkeit woraus sich eine definierte Biegelinie und Ablenkung der Spitze proportional zur Wandschubspannung ergibt. In dem Vorhaben wurde dieses neue Messverfahren hinsichtlich des statischen und dynamischen Verhaltens charakterisiert und in zwei verschiedenen Strömungskanälen für die Untersuchung der Wandschubspannungsverteilung in turbulenten Grenzschichten an einer längs angeströmten Platte eingesetzt. Zur Charakterisierung und Kalibrierung der Mikrozylinder wurden zwei Versuchsstände neu entwickelt und in Betrieb genommen. Mit ihnen ist eine statische und dynamische Kalibrierung des Sensors möglich. Im Rahmen der Charakterisierung des Verhaltens der Mikrozylinder wurden Modelle entwickelt, mit denen eine optimale Anpassung der Zylindergeometrie an die zu untersuchende Strömung möglich ist. Dabei stellte sich heraus, dass der Einsatz des Sensors in Luft aufgrund seines Resonanzverhaltens nur bedingt geeignet ist. Untersuchungen im Windkanal in Lille, Frankreich, haben dies bestätigt. Wesentlich besser geeignet ist der Sensor für den Einsatz in Flüssigkeiten mit höherer dynamischer Viskosität. Eine Resonanzüberhöhung kann hier durch die geeignete Wahl der Zylindergeometrie vollständig ausgeschlossen werden. Messungen am brechungsindexangepassten Ölkanal des LSTM in Erlangen in einer transitionellen Plattengrenzschicht zeigten somit gute Ergebnisse bezüglich der Messung der zeitlich und räumlich veränderlichen Wandschubspannungsverteilung und der Identifizierung von turbulenten Strukturen und deren Wirkung innerhalb der viskosen Unterschicht.
Publications
- (2004) Wall shear stress imaging in turbulent flows using microstructured surfaces with flexible micropillars. In: Proceedings of the 10th EUROMECH European turbulence conference (ETC 10), The Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway, 29 June - 2 July 2004
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- (2007) Dynamic response of micro-pillar sensors measuring fluctuating wall-shear-stress. Experiments in Fluids 42: 737-749
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- (2008) Measuring Flow Velocity and Flow Direction by Spatial and Temporal Analysis of Flow Fluctuations. Journal of Neuroscience, April 9, 2008 • 28(15): 1-15
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- (2008) Multiple Segment Long Distance Microscope for Flow Visualisations. 14th International Symposium on Applications of Laser techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, July 7 - 10 2008
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- (2008) Signature of varicose wave packets in the viscous sublayer. Physics of Fluids 20, 1-5, Mai 2008
Brücker C
