Anwendung des optischen Geschwindigkeitsmessverfahrens Particle Image Velocimetry im Freiflug zur Charakterisierung einer Grenzschichtströmung

Abstract

Mit dieser Arbeit wird erstmalig das optische Verfahren der Particle Image Velocimetry (PIV) in einem Flugversuch angewendet, um berührungslos und mit einer hohen räumlichen Auflösung Geschwindigkeitsfelder in einer rumpfnahen Grenzschicht bei unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten und Klappenstellungen zu bestimmen. Die Geschwindigkeitsinformationen werden aus dem Streupartikelversatz innerhalb zweier wandparalleler Messebenen mit unterschiedlichen Wandabständen abgeleitet. Anstatt die Strömung künstlich mit Streupartikeln zu impfen, werden natürlich vorkommende Wolkentropfen durch das PIV-System erfasst. Dieser Ansatz bedeutet zum einen eine wesentliche Vereinfachung der Flugexperimente. Zum anderen werden zusätzliche Messunsicherheiten durch Unregelmäßigkeiten in der Streupartikeldichte und -größenverteilung eingeführt. Um die PIV-Methode vor diesem Hintergrund für Flugversuchsanwendungen zu bewerten, werden zwei weitere Messsysteme integriert. Zwei traversierbare Differenzdrucksonden erfassen simultan zu dem PIV-System die Charakteristik der Grenzschicht und erlaubten damit direkte Vergleiche der vorliegenden Methoden zur Geschwindigkeitsbestimmung. Ober eine Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing (ILIDS)-Installation können die Durchmesser der Wolkentropfen bestimmt und ihre Partikeldynamik in einer turbulenten Grenzschichtströmung analytisch bewertet werden. Mit Hilfe der PIV-Methode und den Differenzdrucksonden werden gemittelte und momentane Strömungsstrukturen, REYNOLDs-Schubspannungen sowie Schwankungsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Flugzeugkonfiguration hergeleitet. Es liegen experimentelle Beweise vor die zeigen, dass Turbulenzen in der Anströmung insbesondere bei Wolkendurchflügen eine signifikante Abwandelung des Grenzschichtprofils in den wandfernen Bereichen verursachen.