Neues Sensorkonzept zur Bestimmung der aerodynamischen. Wandschubspannung

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1 Neues Sensorkonzept zur Bestmmung der aerodynamschen Wandschubspannung Edgar Augensten*, Chrstoph Egbers*, Slke Eckertª, Mak Hartmannª, Helge Mschke, Wolfgang Rehak * Lehrstuhl Aerodynamk und Strömungslehre, BTU Cottbus ª Astro- und Fenwerktechnk Adlershof GmbH ASI Advanced Semconductor Instruments GmbH Motvaton Parallel zur Entwcklung der Computer-Technologe wurden n den vergangenen Jahrzehnten enorme Fortschrtte auf dem Gebet der numerschen Strömungsmechank erzelt. In manchen Berechen snd de Smulatonsverfahren sowet, dass se komplexe Strömungsvorgänge vorhersagen können, für deren Valderung es jedoch nur wenge expermentelle Verfahren gbt. Enes deser Probleme stellt de Bestmmung von Strömungsdaten n der vskosen Unterschcht aerodynamscher Grenzschchten dar. Insbesondere de Bestmmung der turbulenten Wand-Schubspannung und der turbulenten knetschen Energe snd ene große Herausforderung an de expermentelle Strömungsmechank. Mt dem vorlegenden Artkel soll das Konzept für enen neuartgen Sensor zur Ermttlung der turbulenten Wandschubspannung vorgestellt werden. Problemstellung Der Rebungswderstand enes umströmten Körpers kann aus der Integraton der aerodynamschen Wandschubspannung über de gesamte Oberfläche des Körpers erfolgen. Mt der Kenntns der Vertelung der Wandschubspannung an enem solchen Körper kann en erster Schrtt zur Optmerung sener Formgebung gemacht und somt der Rebungswderstand reduzert werden. Zur Bestmmung der aerodynamschen Wandschubspannung gbt es ene Velzahl expermenteller Ansätze, de mehr oder wenger n de Struktur der vskosen Unterschcht engrefen. Prnzpell kann zwschen drekten und ndrekten Verfahren zur Erfassung der lokalen Wandschubspannung unterscheden werden. Zu den drekten Methoden zählt de Aufnahme der an der Wand tangental angrefenden Strömungskräfte mt Hlfe ener Waage, deren Kraftaufnehmer (Schwmmer) bündg zur Oberfläche angeordnet st. De Auslenkung des Schwmmers kann z.b. durch enen Pezoaufnehmer, nduktv oder optsch gemessen werden. De ndrekten Verfahren beruhen m wesentlchen auf der Bestmmung des wandnahen Geschwndgketsprofls. De Ermttlung der Geschwndgketen n

2 unmttelbarer Wandnähe st für sondengestützte Verfahren (z.b. Prestonrohr, Htzdraht-Anemometre) nur mt Enschränkungen möglch. Da n der vskosen Unterschcht en lnearer Zusammenhang zwschen der dmensonslosen Geschwndgket u + und dem dmensonslosen Wandabstand y + exstert, kann das Geschwndgketsprofl hn zur Wand durch Extrapolaton ermttelt werden. De dmensonslosen Werte snd gegeben durch + u = U u τ und y + y * = ν u τ, mt der τ w Schubspannungsgeschwndgket u τ =, der knematschen Vskostät ν des ρ Fluds und dessen Dchte ρ. De Wandschubspannung wrd über den Zusammenhang du τ w = µ dy drekt an der Wand (y=0) ermttelt. Dabe stellt µ de dynamsche Vskostät des Fluds dar, τ w st de zetlch gemttelte Wandschubspannung parallel zur Hauptströmungsrchtung. Für de mathematsche Beschrebung turbulenter Strömungen wrd auf den Reynolds schen Ansatz der Auftelung der momentanen Strömungsgrößen n enen Mttelwert und enen Schwankungsantel zurück gegrffen: ' ' u = u + u und τ = τ + τ. De Indzes stehen für de unterschedlchen Rchtungskomponenten der jewelgen Strömungsgröße. En Problem der optschen Verfahren zur ndrekten Bestmmung der Wandschubspannung st das Fehlen ener hnrechenden Anzahl von Seedngpartkeln n der vskosen Unterschcht. Es kann.a. nur en zetlcher Mttelwert bestmmt werden, für ene tatsächlche Bestmmung der Fluktuatonsgrößen st de Partkeldchte und somt de Datenrate mest zu gerng. Als Verfahren zur Bestmmung der Fluktuatonsgrößen an der Wand des umströmten Körpers hat sch de Oberflächen-Heßflm-Technk bewährt. Das physkalsche Prnzp basert, we be der klassschen Htzdraht-Anemometre, auf der Analoge zwschen dem lokalen konvektven Wärmetransport vom behezten Sensor n de Strömung und der lokalen Wand-Schubspannung an deser Stelle. Für de Heßflm- Anemometre wrd das Sensorelement n ener Wheatstone Brücke verschalten. De anlegende Brückenspannung hezt das Sensorelement auf ene Temperatur T S, de höher legt als de Umgebungstemperatur T. In Abhänggket von der Strömungsgeschwndgket wrd Wärme an das Flud abgegeben. De Regelspannung, de notwendg st, um den Sensor auf konstanter Temperatur zu halten st proportonal zur Strömungsgeschwndgket. Um quanttatve Aussagen zu erhalten, müssen Heßflm Sensoren vor hrem Ensatz kalbrert werden. Von Bruun [1] wurde das für de Htzdraht-Anemometre geltende Kng s Law für Oberflächen-Heßflme n folgender Form adaptert: 2 E 1/ 3 = A + B( τ w ). T T ( ) S Dabe st E de messbare Brückenspannung, de Koeffzenten A und B müssen über Kalbrermessungen angepasst werden. Neben dem Wärmeübergang an das

3 strömende Flud erfolgt be Htzdrahtmessungen n Wandnähe oder be der Messung mt Oberflächen-Heßflmen en zusätzlcher, nur schwer zu quantfzerender Wärmestrom n das Testmodell. De turbulenten Fluktuatonen der Wand- Schubspannung τ w werden dadurch unterschätzt. Ohne Maßnahmen zur ständgen n stu Kalbrerung können de ermttelten Werte für de Wandschubspannung τ w und de zugehörgen Fluktuatonen τ w nur qualtatv betrachtet werden (Desgeorges et al. [4]). Für den Fall der klassschen Htzdraht-Anemometre n Nähe ener wärmeletenden Wand haben Durst et al. [5] das Drften des Messsgnals durch ene n stu Kalbrerung mt Hlfe enes Laser-Doppler-Anemometers realsert. Dabe st de Htzdrahtsonde unmttelbar hnter dem Messvolumen des LDA-Systems angeordnet. Idee des neuen Sensorkonzepts Das Konzept für den neu zu entwckelnden Schubspannungs-Sensor beruht auf der Kombnaton der bekannten Messprnzpen des Heß-Flm-Anemometers (HFA) mt enem mnaturserten Laser-Doppler-Anemometer (MLDA) n enem Sensormodul. Durch das Zusammenführen deser beden Messtechnken sollen de berets erwähnten Nachtele der Enzelkomponenten durch das jewels komplementäre Telsystem ausgeglchen werden. Htzdraht- bzw. Heßflm-Anemometer snd wesentlche Elemente n der expermentellen Turbulenzforschung. Dese thermo-elektrschen Verfahren lefern zuverlässge Informatonen über de Geschwndgket und de turbulenten Fluktuatonen be der Untersuchung freer turbulenter Strömungen. Probleme ergeben sch be der Heßflm-Anemometre n der unmttelbaren Nähe fester Wände. Her lassen sch, begründet durch schwer zu quantfzerende Wärmeströme n den Festkörper, nur qualtatve Angaben machen (Desgeoges et al. [4]). Be der Anwendung von optschen Anemometre-Verfahren n Grenzschchtströmungen besteht das Problem, dass bedngt durch ene zu gernge Dchte der benötgten Seedng-Partkel, de hochfrequenten turbulenten Fluktuatonen nur bedngt bestmmt werden können. Wenn überhaupt, so kann ene quanttatve Aussage n der Nähe fester Wände nur über de mttlere Geschwndgket, ermttelt über enen relatv langen Zetraum, getroffen werden. Zur Ermttlung der Wand- Schubspannung wurden berets verschedene optsche Systeme vorgeschlagen, de auf dem Prnzp der Laser-Doppler-Anemometre beruhen (z.b.: Czarske et al. [2] und Gharb et al. [7]). Auch her gelten de genannten Restrktonen bezüglch der Streupartkel. Deses Problem verschärft sch, je größer de Geschwndgket der Anströmung wrd. Für de geplante Kombnaton der genannten Technken n enem gemensamen Sensormodul z.b. zur Anwendung n Wndkanalmodellen, st zu beachten, dass konventonelle LDA-Systeme zu groß für ene solche Modellntegraton snd. Bezüglch der Mnaturserung von LDA-Systemen bestehen Erfahrungen an verschedenen Insttutonen m deutschsprachgen Raum. Zu nennen snd her de Aktvtäten am ZARM Bremen (Fechtmann et al. [6]), am Laser Zentrum Hannover (Czarske et al. [2]) sowe de Arbeten von Damp [3] am Deutsch-Französschen Forschungsnsttut Sant-Lous.

4 Geplante Realserung De Umsetzung des Projekts erfolgt n enger Zusammenarbet des Lehrstuhls für Aerodynamk und Strömungslehre (LAS) mt den Projektpartnern Astro- und Fenwerktechnk Adlershof GmbH (Astro) sowe der Advanced Semconductor Instruments GmbH (ASI). De Arbeten lassen sch grob untertelen n de fünf Schwerpunkte: Mnatursertes LDA-System, Heßflm-Sensor-Array, Kombnaton zum Sensormodul, aerodynamsche Erprobung und Kalbrerung. Das Systemdesgn für de Mnaturserung des LDA erfolgt am LAS und be Astro, de fertgungstechnsche Umsetzung legt be Astro. In der ersten Bearbetungsphase wrd en festbrennwetges LDA entwckelt, aufgebaut und zur Erprobung m Wndkanal beretgestellt. En Konzept zur Versorgungselektronk der Laserdode sowe des Detektors für enen dezentralen Ensatz wrd erarbetet. De Anforderungen an den mechanschen Aufbau werden defnert. Besonderer Wert wrd dabe auf Kompakthet und Robusthet gelegt. De Entwcklung und Fertgung der Heßflm-Sensortechnk erfolgt m wesentlchen be ASI und dem LAS. In desem Schrtt werden geegnete Materalkombnatonen sowohl für das Substrat we auch für de Zuletung und den egentlchen Sensor untersucht und ausgewählt. En weterer Schwerpunkt st n der Kontakterung und m mechanschen Aufbau zu sehen. De Integraton der Enzelkomponenten zu enem gemensamen mnaturserten Sensormodul wrd am LAS mt Unterstützung beder Projektpartner durchgeführt. Besonderer Wert wrd dabe auf enen kompakten und robusten Systemaufbau gelegt. Weterhn wrd untersucht werden, we sch de Enzelkomponenten durch thermsche und/oder elektrsche Effekte des Systems gegensetg beenflussen De Modellntegraton und de aerodynamsche Erprobung sowohl der enzelnen Komponenten als auch des Gesamtmoduls wrd am Wndkanal des LAS n Cottbus durchgeführt werden. De Entwcklung der Methoden zur n stu Kalbrerung des Heßflmarrays durch das LDA-Modul wrd am LAS durchgeführt werden. Möglche Ensatzgebete des neuen Sensors Aufgrund des hohen Mnaturserungsgrades des Sensormoduls erschleßt sch für den Messensatz ene Velzahl von Anwendungsmöglchketen. Neben der Erweterung der wssenschaftlchen Erkenntns m Bezug auf turbulente Vorgänge n der Strömungsgrenzschcht snd auch Ergebnsse mt wrtschaftlcher Relevanz zu erwarten. Mt Hlfe der zu entwckelnden Strömungssensoren können expermentelle aerodynamsche Untersuchungen auch außerhalb von Wndkanälen durchgeführt werden. Nach dem heutgen Stand der Technk st es kaum möglch, quanttatve Strömungsuntersuchungen, z.b. an Orgnalflugzeugen, durchzuführen. Be Applkaton der geplanten Sensormodule an Versuchsträgern m Orgnalmaßstab lässt sch en enormes aerodynamsches Optmerungspotental erschleßen. De Schwergket, de strömungsmechanschen Ähnlchketsgesetze enzuhalten, lässt sch somt entschärfen. Des hat letztlch ncht nur wrtschaftlche Auswrkungen auf den Energeverbrauch zukünftger Luftfahrzeuge, sondern ndrekt, durch Vermedung von Schadstoffemssonen, auch umweltpoltsche Relevanz.

5 De Trebwerksndustre wrd n Zukunft verstärkt versuchen, turbulente Strömungen aktv zu beenflussen. Als Bespel snd aktve Maßnahmen zur Lärmmnderung am Fan oder am Trebwerksstrahl zu nennen. Herfür werden n der Entwcklungsphase Messsysteme we das her vorgestellte mnaturserte Sensormodul benötgt. En weteres Anwendungsgebet st n der Fahrzeug-Aerodynamk zu sehen. Bs heute st es ncht n ausrechender Qualtät möglch, de Straßenfahrt von Kraftfahrzeugen m Wndkanal zu smuleren. Besonderes Augenmerk zelt dabe auf de Fahrt be Setenwnd, de Nachbldung der Unterbodenströmung oder de nstatonäre Fahrzeugaerodynamk. Durch de Applkaton von mnaturserten Strömungssensoren an Versuchsfahrzeugen oder Prototypen m Orgnalmaßstab lässt sch en enormes aerodynamsches Optmerungspotental erschleßen. Prnzpell kann das Sensormodul zur Untersuchung sämtlcher weterer Strömungsprobleme optsch transparenter Flude zum Ensatz kommen, be denen de turbulente Wandschubspannung relevant st (z.b. verfahrenstechnsche Anwendungen n der Lebensmttel- und chemschen Industre). Prnzpskzze des geplanten Sensormoduls Dank De Arbeten zu desem Projekt werden m Rahmen des natonalen Luftfahrtforschungsprogramms III vom Bundesmnsterum für Wrtschaft und Technologe gefördert.

6 Lteratur [1] Bruun, H.H.: Hot-Wre Anemometry: Prncples and Sgnal Analyss, Oxford Unversty Press, 1995 [2] Czarske, J.; Büttner, L.; Razk, T.; Müller, H.; Dophede, D.; Becker, S.; Zanoum, E.S.; Durst, F.: Messung der Wandschubspannung mt enem ortsauflösenden LDA-Proflsensor; GALA-Jahrestagung 2002, Rostock; September [3] Damp, S.: Ensatz enes modfzerten Mnatur-LDAs zur hochaufgelösten Grenzschchtmessung, 5. GALA-Fachtagung 1996, 11. bs 13. Sept. 1996, DLR Berln. [4] Desgeorges, O.; Lee, T.; Kafyeke, F.: Multple hot-flm sensor array calbraton and skn frcton measurement, Exp. n Fluds, Vol , pp [5] Durst, F.; Zanoun, E.-S.; Pashtrapanska, M.: In stu calbraton of hot wres close to hghly heat-conductng walls,, Exp. n Fluds, Vol , pp [6] Fechtmann, C., Mahnken, M., Beyer, W. & Egbers, C.: Entwcklung stark mnaturserter Laser-Doppler-Anemometer für de Integraton n Wndkanalmodellen; GALA- Jahrestagung 2000, Fresng-Wehenstephan; September [7] Gharb, M.; Modaress, D.; Fourguette, D.; Wlson, D.: "Optcal Mcrosensors for Flud Flow Dagnostcs". AIAA, January 2002, AIAA Paper No. AIAA