Optische Erfassung von flächigen Druckverteilungen mittels Pressure Sensitive Paint - PSP

Abstract

Die PSP-Methode beruht auf dem Prinzip der Deaktivierung photo-chemisch angeregter Moleküle sog. Luminiphore z.B. durch Sauerstoffmoleküle. Insbesondere eignen sich hierfür Pyren- und Rutheniumderivate, die in einer transparenten Binderschicht eingebracht sind. Unter Verwendung geeigneter Lichtquellen zur Anregung der Moleküle mit anschließender Aufnahme des emittierten Fluoreszenzlichtes durch geeignete Kameras ist es dann mittels einer Intensitätskalibrierung möglich, den statischen Druck auf einer angeströmten Modelloberfläche z.B. im Windkanal zu bestimmen, um Strömungsphänomene sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmen zu können. Die Erfassung derartig geringer Lichtintensitäten mit festgelegten Wellenlängen erfordert jedoch ein sehr präzises optisches Anregungs- und Empfangssystem, um selbst sehr kleine Absolutdrücke im Bereich von ±1mbar erfassen zu können, wie sie sowohl im Niedergeschwindigkeits- als auch transsonischen Geschwindigkeitsbereichen auftreten. Diese, mittels geeigneter Wellenlänge angeregten Luminophore werden hierbei aus ihrem energetischem Grundzustand in einen Zustand mit höherer Energie gebracht. Unter Normalbedingungen fallen diese dann nach einer festen Zeit unter Aussendung von Licht in ihren Grundzustand zurück – jedoch mit anderer Wellenlänge, als die der Anregung. Stossen diese angeregten Luminophore jedoch mit Sauerstoffmolekülen, die energetisch gut geeignet sind, so verlieren sie ihre Energie durch diese Stöße und fallen ohne Licht abzustrahlen wieder in den Grundzustand zurück. Hierbei bedeuten viele Stöße: hoher Druck und wenig Stöße: niedriger Druck. Diese so hervorgerufenen Lichtintensitäten lassen sich messen und kalibrieren und damit sehr genau den statischen Drücken z.B. auf Windkanalmodellen oder Schaufeln von Turbomaschinen zuordnen. Mittels der PSP-Technik lassen sich alle optisch zugänglichen strömungsbehafteten Oberflächen in den unterschiedlichsten Geschwindigkeits- und Temperaturbereichen untersuchen, bei denen eine Beschichtung der zu untersuchenden Modelle mit drucksensitiven Molekülen möglich ist. Voraussetzung ist jedoch die Anwesenheit von Luft, d.h. Sauerstoffmoleküle. Hierbei spielt die Sauerstoffkonzentration keine wesentliche Rolle, sofern sie bekannt ist. Sind sämtliche Oberflächendrücke auf einem zu untersuchenden Modell bekannt, z.B. durch eine Beobachtungs- und Beleuchtungsanordnung rundum, so lassen sich die gemessenen Absolutdrücke aufintegrieren und die Bestimmung von Kräften und Momenten wird möglich. Die gezeigten Beispiele bereits durchgeführter PSP Messungen zeigen das weite Anwendungsspektrum dieser Meßtechnik. Die Ergebnisse dienten aerodynamischen und strömungsmechanischen Untersuchungen.