Korrelationsalgorithmen und Optischer Fluss zur Berechnung von Dichtefeldern einer expandierenden Düsenströmung mittels der BOS Methode im Vergleich Application of the BOS-Method for the calculation of adensity field of expanding nozzle flows: comparison of correlation algorithms and optical flow

Abstract

Zur Lage- und Bahnregelung von Raumfahrzeugen werden Steuertriebwerke (Mikrodüsen) mit einer Größe von wenigen Millimetern verwendet. Zur Charakterisierung ihres Ausstoßverhaltens müssen diese Düsen experimentell und mittels numerischer Simulationen untersucht werden. Durch den Betrieb der Düsen im Vakuum entstehen besondere Herausforderungen an die angewandten Messtechniken und Simulationsalgorithmen. Unter anderem wird die Anwendung der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Bestimmung des Geschwindigkeitsfeldes unmöglich, da bei diesem Verfahren der Strömung Partikel beigefügt werden müssen. Aufgrund der hohen mittleren Weglänge der Moleküle und der Trägheit der Partikel würden diese den Beschleunigungen und damit den Stromlinien nicht folgen. Zur Untersuchung dieser Strömungen müssen andere Messtechniken, wie die Background Oriented Schlieren (BOS)-Technik (siehe Richard u. a. 2002), eingesetzt werden. Bei diesem Messverfahren handelt es sich um ein optisches Messsystem, das eine berührungslose Messung des Dichtegradienten und damit auch der Dichte ermöglicht, wobei die Strömung nicht durch Partikel geimpft werden muß. In der vorliegenden Arbeit wurde die BOSMesstechnik dem Skalenbereich von Mikrodüsen angepasst, und ihre Anwendbarkeit untersucht. Diese modifizierte Messtechnik wird im Weiteren als μBOS-Messtechnik bezeichnet. Mit Hilfe der μBOS-Messtechnik wurde die Expansionsströmung einer Mikrodüse in das Vakuum untersucht. Zur Rekonstruktion von dreidimensionalen Dichtefeldern wendeten Venkatakrishnan u. Meier 2004 ein Tomographie-Verfahren auf BOS-Messergebnisse an. Dieses Verfahren wurde verwendet um das radialsymmetrische Dichtefeld zu rekonstruieren.