Laser-Doppler-Anemometrie

Transkript

1 Ein laseroptisches Messverfahren zur berührungslosen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten

2 Laserfernerkundung Beispiel: LIDAR LIght Detection And Ranging siehe Aerosole Temperatur Hohenheimer Temperaturlidar

3 Laserfernerkundung Beispiel: LIDAR LIght Detection And Ranging siehe Hohenheimer Wasserdampflidar Wasserdampfmischungsverhältnis

4 Fortsetzung LDA: Strömungsfeld um ein Schiffsmodell in einem Windkanal

5 Anemometer Windmesser (anemos griechisch: Wind) Erfunden von Yeh und Cummins im Jahr 1964 Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden (Gasen, Flüssigkeiten), in denen Streupartikel vorhanden sind Berührungslose Messung Absolute Messtechnik, keine Kalibrierung erforderlich Sehr hohe Messgenauigkeit Sehr hohe räumliche Auflösung der Messung, da kleines Messvolumen

6 Anwendungen: Geschwindigkeitsmessungen von Partikeln (Windmessung, Fließgeschwindigkeit des Blutes,...) Untersuchung laminarer oder turbulenter Strömungen oder von Überschall- Strömungen (Aerodynamic bzw. Hydrodynamic von Turbinen, Autos, Flugzeugen, Schiffen,...) Untersuchung von Oberflächenbewegungen und -schwingungen Messungen z.b. in heißer Umgebung (Flammen, Plasma)... etc, etc, etc.

7 Luftströmungen um ein Helikopterrotormodell in einem Windkanal

8 Wirbelfelder um ein Schiffsmodell

9 Strömungsfeld um ein Automodell in einem Windkanal (1:5)

10 Strömungsfeld um eine Schiffsschraube

11 Geschwindigkeitsprofil in einem Wasserrohr

12 Messanordnung, Übersicht f 0 f 0 f 0 f 0 und f Detektor

13 Messprinzip 1: Dopplereffekt Messprinzip 2: Schwebung

14 Messprinzip 1: Dopplereffekt Christian Doppler, Der Doppler-Effekt wurde nach dem österreichischen Physiker und Mathematiker Christian Doppler benannt, der ihn 1842 voraussagte. Doppler wollte die unterschiedlichen Farben der Sterne durch ihre Eigenbewegung erklären. Auch wenn er damit falsch lag - die Farben entstehen durch unterschiedliche Oberflächentemperatur der Sterne - war seine Berechnung im Prinzip richtig. (Quelle: Wikipedia)

15 Messprinzip 1: Dopplereffekt Ein Experiment zum Doppler-Effekt mit Schallwellen wurde 1845 vom Physiker Christoph Buys Ballot durchgeführt. Er postierte dazu mehrere Trompeter sowohl auf einem fahrenden Eisenbahnzug als auch neben der Bahnstrecke. Beim Vorbeifahren sollte jeweils einer von ihnen ein G spielen und die anderen die gehörte Tonhöhe bestimmen. Trotz Schwierigkeiten bei der Durchführung - das Geräusch der Lokomotive war sehr laut, die Musiker waren manchmal unaufmerksam - gelang es Buys Ballot, den Doppler-Effekt zu bestätigen. Hippolyte Fizeau entdeckte den Doppler-Effekt für elektromagnetische Wellen im Jahre (Quelle: Wikipedia)

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18 Dopplereffektformel f = f 2 1 Näherung für v << c 1± v c v 1 ± c 2 v f = f ± c

19 π -π 0 π 2π Sin x y π -π 0 π 2π x Cos x

20 Messprinzip 2: Schwebung y 1 = Sin x y 2 =Sin (1,1 x)

21 Schwebung Sin(x) Sin(1,1 x) Sin(x) Sin(1,1 x) Sin(0,1 x)

22 Schwebung Schwebungsfrequenz f = f 2 f Sin(x) Sin(1,1 x) Sin(0,1 x)

23 Messanordnung, Übersicht f 0 f 0 f 0 f 0 und f

24 2x Dopplereffektformel f v = f0 + c P 1 S f = f P 1 v E c

25 Messanordnung, Detail f = 2 λ 0 v P cos ϕ 2 ( ) φ sin

26 Intensitätsverteilung im Überkreuzungspunkt der Laserstrahlen 1 und 2

27 Intensitätsverteilung im Überkreuzungspunkt der Laserstrahlen 1 und 2 0 d (bekannt) a a λ0 λ0 d = = = 5,3 mm µm 2 tan ( ϕ 2) cos( ϕ 2) 2 sin( ϕ 2)

28 Berücksichtigung der Gauß-förmigen Intensitätsverteilung der Laserstrahlen 1 und 2 C" C'

29 d = 5,3 µm v P cos ( ) φ = 5,3 µ m T

30 Messanordnung, Übersicht f 0 f 0 f 0 f 0 und f Detektor

31 Versuchsaufbau v P = 5,3 µ m T

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33 Der Metallbügel sitzt auf einem y-t-schreiber, der von verschiedenen Spannungen eines Funktionsgenerators angetrieben wird. Wir variieren Frequenz und Amplitude der Spannungen S S S S S S

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