Wandschubspannungsmessung mittels der Flüssigkristalltechnik

Überblick

Die Messung der Wandschubspannung an einer luftüberströmten Oberfläche ist in vielen technischen Anwendungen unverzichtbar, z. B. im Bereich der Widerstandsreduzierung und Leistungssteigerung bei Transportfahrzeugen, wo viskose Verluste eine große Rolle spielen. Um diese zu reduzieren, ist es entscheidend, die physikalischen Mechanismen und Phänomene innerhalb der Grenzschicht genau zu verstehen.

Obwohl die Rechenleistung nach dem Mooreschen Gesetz zunimmt und numerische Berechnungswerkzeuge immer wichtiger werden, sind experimentelle Daten für die Kalibrierung von Modellparametern empirischer/semiempirischer Korrelationen und von Teilmodellen numerischer Simulationen unverzichtbar. Daher ist eine detaillierte Kenntnis der Kernströmung und ihrer Grenzschicht erforderlich. Insbesondere Informationen über die Größe und Verteilung der Schubspannung auf dem Bauteil sind für die Verbesserung seiner aerodynamischen Auslegung unumgänglich. Mittels der Flüssigkristallmesstechnik können diese relevanten experimentellen Daten erstmals bereitgestellt werden. In Abbildung 1 können Bereiche vorgefunden werden, in denen eine dreidimensionale Grenzschichtströmung, dreidimensionale Ablösung sowie Beschleunigung, Verzögerung, interagierende Wirbel und Transition ein komplexes sekundäres Strömungsfeld bilden, das allgegenwärtig ist.

Abbildung 1: Bereiche komplexer Strömungsfelder in denen Flüssigkristalle zur quantitativen Bestimmung von Schubspannungsverteilungen verwendet werden können, um weitere Erkenntnisse über das Grenzschichtverhalten zu erhalten

Um quantitative Messungen von Wandschubspannungen mittels Flüssigkristalltechnologie unter realistischen Randbedingungen und an praxisnahen Geometrien durchführen zu können, ist ein erweitertes Verständnis der Einflussparameter auf die Messtechnik erforderlich. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird der in [1] vorgestellte und am Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) befindliche Flüssigkrisallversuchsstand eingesetzt. Durch ihn können wohldefinierte und bekannte aerodynamische sowie thermische Randbedingungen garantiert werden. Auf diese Weise ist die quantitative Untersuchung der Einflussparameter auf das Farbsignal möglich. Ein Wandschubspannungsvektorfeld ist als Beispiel in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Fotografie eines noch unbelasteten Messeinsatzes unter normaler Illumination mit ungekapselten cholesterischen Flüssigkristallen

Ziele im Forschungsbereich am ITS

  • Weiterentwicklung zuverlässiger und präziser Messtechnik zur Bestimmung quantitativer Strömungsgrößen
  • Korrelation lokaler Wärmeübergangsmessungen mit Aerodaten mittels Reynoldsanalogie
  • Datenbasis zur Kalibrierung von Modellparametern empirischer/semiempirischer Korrelationen und von Teilmodellen numerischer Simulationen
  • Aerodynamische Bewertung strömungsführender Komponenten

Wandschubspannungsvektorfeld aus Flüssigkristallaufnahmen

Dargestellt ist die quantitative Verteilung der Wandschubspannung entlang der Strömungsrichtung einer Kanalströmung. Der Gradient der Wandschubspannung nimmt mit zunehmender Lauflänge, d. h. mit zunehmender Grenzschichtdicke ab. Das Farbsignal ist stromab lateral homogen.

Abbildung 3: Kalibrierte, absolute Wandschubspannungsverteilung mit Vektoren welche die lokale Richtung der Strömung darstellen, normalisiert auf die maximale Wandschubspannung

Quellen und relevante Veröffentlichungen


Towards Quantitative Wall Shear Stress Measurements: Calibration of Liquid Crystals
Melekidis, S.; Elfner, M.; Bauer, H.-J.
2021. ASME Turbo Expo: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (GT 2020), Online, September 21–25, 2020
Towards Quantitative Wall Shear Stress Measurements: Considering the Flow Behavior of Liquid Crystals
Melekidis, S.; Ebert, M.; Schmid, J.; Bauer, H.-J.
2022. 25th Conference of the International Society for Air Breathing Engines
Über die Farbenpracht technischer Strömungen - Die Flüssigkristallfotografie zur Effizienzsteigerung von Flugtriebwerken
Melekidis, S.
2022, July 5. Veranstaltungsreihe “Junge Talente - Wissenschaft und Musik” (2022), Eggenstein-Leopoldshafen, Germany, July 5, 2022
Insights into the evaporation characteristics of saliva droplets and aerosols: Levitation experiments and numerical modeling
Lieber, C.; Melekidis, S.; Koch, R.; Bauer, H.-J.
2021. Journal of aerosol science, 154, Art.-Nr. 105760. doi:10.1016/j.jaerosci.2021.105760
Towards Quantitative Wall Shear Stress Measurements: Calibration of Liquid Crystals
Melekidis, S.; Elfner, M.; Bauer, H.-J.
2021. Proceedings of ASME Turbo Expo 2020 : Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT2020–14381, The American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi:10.1115/GT2020-14381