Praktikum Aerodynamik des Flugzeugs

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1 Praktikum Aerodynamik des Flugzeugs 1. Versuch: Sonden Ausführungen und Charakteristiken Betreuer: Dipl.-Ing. Anja Kölzsch

2 Ziel des heutigen Termins Einführung in die Strömungsmesstechnik Messung verschiedener Strömungsgrößen im Windkanal: - Drücke - Geschwindigkeiten - Strömungsrichtungen Voraussetzung: Kalibrierung von Sonden Bestimmung der Charakteristiken von verschiedenen Sondenarten

3 1. Einführung Strömungscharakteristik: stationär oder instationär? Strouhalzahl Sr kompressibel oder inkompressibel? Machzahl Ma reibungsfrei oder reibungsbehaftet? Reynoldszahl Re Entscheidend, um das richtige Messverfahren zu wählen

4 ρ(t), ν(t) a(t), T(t) V ρ (t) α(t) L Sr L/ V L = = Stationär, wenn Sr<<1 t V t 1 1 t 1 : Zeit, in der sich die Strömungscharakteristiken wesentlich ändern Re V L = ν = Trägheitsk raft Reibungskr aft Reibungsfrei, wenn Re V Strömungsgeschwindigkeit Ma = = a Schallgeschwindigkeit Inkompressibel, wenn Ma<<1

5 2. Druckmessung Die Druckmessung erlaubt die Bestimmung von: a) Energie im strömenden Fluid Totaldruck p t b) Druckkräfte auf umströmte Körper statischer Druck p s c) Strömungsgeschwindigkeit Geschwindigkeitsdruck q (auch Staudruck genannt) In einer Strömung können also 3 unterschiedliche Drücke gemessen werden, die von besonderer Bedeutung sind Diese Drücke sind stark voneinander abhängig

6 Zusammenhang zwischen Totaldruck statischem Druck und Geschwindigkeitsdruck Aus der Bernoulli Energiegleichung für stationäre, reibungsfreie Strömung eines inkompressiblen Fluids längs eines Stromfadens lässt sich direkt ableiten: ρ 0 für Gase + + ρ= = ρ + = + = Wie können, und durch Messungen bestimmt werden?

7 Messung des statischen Drucks p s p s wird immer senkrecht zur Strömungsrichtung gemessen Statische Drucksonde: p s Druckbohrung p s

8 Messung des Totaldrucks p t p t wird im Staupunkt gemessen (dort, wo V=0 m/s) Die Pitot-Sonde: p t p t Variante: Venturi-Pitot-Sonde: geringere Winkelempfindlichkeit

9 Messung des Geschwindigkeitsdrucks q q wird als Differenz zwischen p t und p s gewonnen Die Prandtl-Sonde: Messung aller Drücke Bestimmung des Geschwindigkeitsdrucks q Ermittlung der Geschwindigkeit anhand der Druckmessungen: q + p s = p t 1 q= 2ρV 2 V = 2 ( p p ) ρ = q ρ t S 2

10 3. Geschwindigkeitsmessung Verfahren zur Messung der absoluten Momentangeschwindigkeit: 1. Pneumatisch 2. Mechanisch 3. Elektrisch-thermisch Entscheidende Unterschiede: Reaktion auf zeitlich veränderliche Geschwindigkeiten (Trägheit des verwendeten Meßgerätes) Für örtliche Auflösung spielt die Größe des Messfühlers eine Rolle

11 1. Pneumatische Messverfahren Geschwindigkeit durch Druckmessung ermittelt Prandtl-Sonde: V = 2q ρ

12 2. Mechanische Meßverfahren Schalenanemometer: Halbkugelschalen besitzen je nach Anströmrichtung unterschiedliche Luftwiderstände Schalen in Drehbewegung versetzt. Die Drehgeschwindigkeit u ist proportional zur Anströmgeschwindigkeit V : u V const W 1 ~3W 1 Flügelradanemometer: Unter Anströmung wird das Flügelrad in Drehung versetzt. Die Drehgeschwindigkeit u hängt von der Anströmgeschwindigkeit V sowie vom Anstellwinkel α der einzelnen Schaufeln des Flügelrades ab: u V tg(α)

13 3. Elektro-thermische Meßverfahren Hitzdrahtanemometrie: Draht Draht-Halter 1) Constant Current Anemometry CCA: strömendes Fluid kühlt Draht ab Heizstrom konstant gehalten Drahtwiderstand korreliert mit Geschwindigkeit Sondenkörper Anschlusskabel 2) Constant Temperature Anemometry CTA: strömendes Fluid kühlt Draht ab Temperatur konstant gehalten (Regelung über Stromstärke) Stromstärke bzw. Spannung korreliert mit Geschwindigkeit Die zugeführte Heizleistung ist gleich die pro Zeit abgeführte Wärmemenge: RI 2 ( ) =αa T Draht T Umgebung α = Wärmeübergangszahl (von der Geschwindigkeit anhängig), A = Drahtoberfläche

14 Kalibrierkurve der CTA Hitzdrahtsonde King sches Gesetz: U 2 = U B V V: Strömungsgeschwindigkeit [ms -1 ] U: Anemometerspannung [V] U 0 : Anemometerspannung [V] bei V=0 [ms -1 ] B: temperaturabhängiger Faktor [V 2 s 1/2 m 1/2 ]

15 4. Bestimmung der Strömungsrichtung Definition der Strömungsrichtung: V ρ Richtung des GeschwindigkeitsvektorsV ρ an einem bestimmten Punkt des Geschwindigkeitsfeldes bezogen auf das gewählte Koordinatensystem. oder Richtung der Tangente an eine Stromlinie in einem bestimmten Punkt

16 Methoden zur Bestimmung der Strömungsrichtung: Punktmessung: 1. Drucksonden Zwei- oder Vierfingersonden Keilsonden Zylindersonden Mehrlochsonden (Kegelsonden) Anstellung der Sonde führt zur unsymmetrischen Druckverteilung p als Maß für den Strömungswinkel α

17 V// Methoden zur Bestimmung der Strömungsrichtung: V α V Punktmessung: 2. Hitzdrahtsonde Die Strömungsrichtung beeinflusst die Abkühlung des Drahtes (nur die Geschwindigkeitskomponente normal zum Draht trägt zur Kühlung bei) Für ein unendlich langer Draht gilt: U cos( α)!!! Einstellung β des Drahtes gegen die Anströmung!!! α v β = 0 o α v β = 90 o Mehrdraht-Sonden:

18 Methoden zur Bestimmung der Strömungsrichtung: Erfassung des gesamten Strömungsfeldes: 1. LDA (Laser Doppler Anemometry) 2. PIV (Particle Image Velocimetry) PIV Prinzip:

19 Beispiel: Hitzdrahtanemometrie mit Zweidrahtsonden (CTA) Kalibrierfläche (2-D): Strömungsfeldmessung mit Hitzdrahtanemometrie(HWA): X-Drahtsonde, Look-up table-technik Gemitteltes Strömungsfeld, Turbulenzintensitäten Samplefrequenz: 3000 Hz, Tiefpassfilterfrequenz: 1400 Hz, Messzeit pro Punkt: 6.4 s Räuml. Auflösung: y = z=s l /20 Hitzdrahtsonde

20 Beispiel: Hitzdrahtanemometrie mit Zweidrahtsonden (CTA) an einem Deltaflügelmodell x f /c r = Windkanal-Halbmodell eines Deltaflügels im Niedergeschwindigkeitskanal (WK_B) der Technischen Universität München Messebenen über dem Flügelmodell Messung der drei Geschwindigkeitskomponenten u, v und w, Ermittelung turbulenter Größen (rms-werte, Turbulenzgrad,...)

21 Beispiel: Hitzdrahtanemometrie mit Zweidrahtsonden (CTA) an einem Deltaflügelmodell

22 Aufgabenstellung 1) Eine Hitzdrahtsonde soll mit Hilfe einer Prandtl-Sonde kalibriert werden. 2) Die Sprungantwort eines Flügelradanemometers soll mit der einer Hitzdrahtsonde qualitativ verglichen werden. 3) Die Abhängigkeit des Messwertes von der Anströmungsrichtung soll für folgende Drucksonden ermittelt und über die Anströmrichtung α aufgetragen werden: 1) Pitot-Sonde 2) Venturi-Pitot-Sonde 3) Zweifingersonde 4) Hitzdrahtsonde