Zeitlich hochauflösendes Doppler-Global-Velozimeter zur Turbulenzspektrenmessung

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske
• Subject Area: Fluid Mechanics ; Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 158620360

Doppler-Global-Velozimeter erlauben es, Strömungsvorgänge flächenhaft und mit allen drei Geschwindigkeitskomponenten zu erfassen. Das Messprinzip beruht auf der Umsetzung der Dopplerfrequenzverschiebung eines spektral schmalbandigen Lasers in eine Intensitätsänderung mittels einer molekularen Absorptionszelle. Zur Detektion wird bisher neben der Signalkamera eine Referenzkamera benötigt, um den Einfluss von Streulichtleistungsschwankungen zu reduzieren. Die Verwendung zweier Kameras resultiert in einer erhöhten Messunsicherheit, hervorgerufen u.a. durch Bildausrichtungsfehler. Typischerweise liegen Messunsicherheiten von 0,5 m/s bis 3 m/s vor. Weiterhin ist die zeitliche Auflösung aufgrund der Nutzung von rauscharmen CCD-Kameras auf etwa 100 ms begrenzt.Das kürzlich an der Professur für Mess- und Prüftechnik der TU Dresden realisierte DGV-Verfahren mit sinusförmiger Laserfrequenzmodulation (FM-DGV) kommt hingegen mit nur einer Detektionseinheit aus und erreicht auch dadurch eine insgesamt deutlich kleinere statistische Messunsicherheit bei einem Kalibrierexperiment bis zu 0,02 m/s. Zudem kann durch die Verwendung eines breitbandigen Photodetektorarrays eine hohe Zeitauflösung bis zu 10 μs erreicht werden. Da im Gegensatz zur bekannten Laser-Doppler- Anemometrie die Messung zeitlich äquidistant erfolgt, ist das Verfahren für die Analyse von Turbulenzspektren von komplexen Strömungen prädestiniert.In diesem Forschungsvorhaben soll das zeitauflösende FM-DGV-Messverfahren in Richtung einer verringerten Messunsicherheit untersucht werden und für die Messung komplexer turbulenter Strömungen eingesetzt werden. Die Eignung des 25-Punkt- Messsystems zur Bestimmung wichtiger Turbulenzdaten wie Geschwindigkeitsspektren und Auto- und Kreuzkorrelationsfunktionen sollen an einer expandierenden Düsenströmung und an einer transsonischen Kanalströmung gezeigt werden.Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt auf der Vermessung des Strömungsfeldes zwischen Laufrad und Diffusor in einem transsonischen Radialverdichter. Der Vorteil des FM-DGV besteht zum einen in einer deutlich höheren Zeitauflösung, die für die Aufnahme der Turbulenzspektren benötigt wird, und zum anderen in der Möglichkeit, die out-of-plane- Geschwindigkeitskomponente (bezogen auf den Lichtschnitt) zu bestimmen, die an Radialverdichtern bisher mit Particle Image Velocimetry (PIV) nur unzureichend bestimmt werden konnte.

• DFG Programme: Research Grants