Realisierung eines holographischen Aufbaus zur Messung von räumlichen strömungsgeschwindigkeitsfeldern bei Erfassung von Strahlrichtungsschwankungen einer Laserlichtquelle

Abstract

Die Auslegung und Optimierung aerodynamischer Komponenten ist in vielen Anwendungen eine Problemstellung. Die Anwendungsbereiche umfassen Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Bauwesen, Windkraft, Schienenverkehr, etc. Speziell in der Luftfahrtindustrie ist man bestrebt sparsame und leise Verkehrsflugzeuge kostengünstig zu entwickeln, bei der die Strömungsmesstechnik entscheidend dazu beiträgt. Zwar lassen sich mit Hilfe der Numerischen Strömungssimulationen bereits vor dem Bau des ersten Prototyps strömungstechnische Untersuchungen durchführen. Wodurch sich Kosten, Entwicklungszeit und vor allem das Risiko von Fehlkonstruktionen während des gesamten Entwicklungsprozesses reduzieren lassen. Jedoch werden die numerischen Methoden ständig weiterentwickelt, bei der die Strömungsmesstechnik zum einen dazu dient solche Simulationen zu kalibrieren und zu validieren. Zudem ist die Aussagekraft solcher Simulationen begrenzt, so dass letztendlich Modelle gefertigt werden um die aerodynamischen Eigenschaften mit Hilfe der Strömungsmesstechnik bestimmen zu können. In der Strömungsmesstechnik kommen vor allem dann optische Messverfahren zum Einsatz, wenn durch das Einbringen von Sonden das Strömungsfeld beeinträchtigt oder verfälscht wird. Besonders in der Windkanaltechnik, bei der stark verkleinerte Modelle untersucht werden, liefern Messverfahren mit Sonden häufig falsche Messwerte. Optische Messverfahren bieten den Vorteil einer berührungslosen Messung und nehmen somit keinen störenden Einfluss. Bei der Vermessung von Geschwindigkeitsfeldern wird die Particle Image Velocimetry (PIV) erfolgreich eingesetzt. Über ein stereoskopisches Verfahren ist die PIV in der Lage das dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld in einer Ebene zu erfassen. Für instationäre Strömungen ist es erstrebenswert das Geschwindigkeitsfeld zeitgleich an verschiedenen Orten zu erfassen oder idealerweise des gesamten Messvolumens. Aus dieser Notwendigkeit haben sich verschiedene Techniken entwickelt, wie die Multiple Plane PIV1, High Speed Scanning PIV2 und holographische PIV (HPIV)3. Mit der Entwicklung digitaler Bildsensoren ist die HPIV zur digitalen HPIV (DHPIV) erweitert worden. Ein großer Nachteil der DHPIV ist, dass derzeit die Bildsensoren über eine zu niedrige Ortsauflösung verfügen, um ein Hologramm mit ausreichender Bildqualität wiederzugeben. Daher wird in dieser Arbeit die HPIV-Technik eingesetzt.