Transcript Dantec Dynamics Präsentation
Fluid Mechanics
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Geschäftsbereiche der Dantec Dynamics Gruppe Imaging Systeme Allgemeine Strömungsmessung - Verbrennungsdiagnostik Partikelgrößen Bestimmung
Optimierung von Produktdesign und Verbrennungstechnik
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Fluid Dynamics - Luft und Gasströmungsmessung - Thermischer Komfort Strömungsmessung von Flüssigkeiten Partikel Größenbestimmung
Aerodynamik und Hydrodynamics
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Strain/Stress/Vibration - Dehnungs- und Spannungsmessungen - Vibrationsanalysen Zerstörungsfreie Material- und Bauteilprüfung
Optimierung von Materialien und Komponenten
Wissenschaftliche Tätigkeiten
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Dienstleistungen & Beratung Auftragsmessung und Beratungstätigkeit im Bereich Fluid Mechanics
Experimental Fluid Dynamics
CTA Systeme – Strömung und Turbulenzen
Technik für Punktmessungen in 1D, 2D und 3D Gas und Flüssigkeitsströmung.
Besonders geeignet für Mikro-Struktur Untersuchungen. - StreamLine CTA - MiniCTA
Welche Vorteile bietet die Hitzdrahtmesstechnik ?
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Großer Dynamikbereich von cm/s bis Überschall Hohe Genauigkeit - unter Laborbedingungen 1% Hohe zeitliche Auflösung bis 500 kHz Hohe räumliche Auflösung 5µm * 1mm Niedriger Druckabfall durch kleinen Sensor Kontinuierliches analoges Ausgangssignal 1D , 2D und 3D Messungen Mehrkanalmessungen Temperaturmessung
Das Messprinzip I
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Ein dünner Draht, montiert auf zwei parallelen Haltespitzen, wird der Strömung ausgesetzt.
Wird ein elektr. Strom durch den Draht geleitet, heizt sich dieser auf (I²R W ). Im Gleichgewichtszustand wird diese Wärmemenge in die Umgebung abgegeben (Konvektion).
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Ändert sich die Strömungsgeschwin digkeit, ändert sich die Wärmeabfuhr und damit die Temperatur des Drahtes. Der Regelkreis regelt die Differenz aus.
Velocity U Current I Sensor (thin wire) Sensor dimensions: length ~1 mm diameter ~5 micrometer Wire supports (St.St. needles)
Das Messprinzip II
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Der Sensorwiderstand (Temperatur) wird durch den Regelkreis konstant gehalten
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Die Wärmeabfuhr ist u.a. abhängig von der anliegenden Strömung
Das Messprinzip III
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Die Ausgangsspannung über den Draht ist gegeben durch:
E 2 = I 2 Rw 2 = Rw(Rw - Ra)(A 1 + B 1 U n )
oder Rw wird durch den Servoverstärker konstant gehalten durch:
E 2 = A + BU n
2,4 2,2
E 2 = Ausgangsspannung Rw = Warmwiderstand Ra = Kaltwiderstand A,B = Konstanten, abhängig vom Medium U = Strömungsgeschwindigkeit n = Exponent , ca. 2 2,5 über 0,1
2 1,8 1,6 5 10 15 20 25
U m/s
30 35 40
CTA Ausgang als f (U)
Sondentypen I
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Miniatur Draht Sonde Platinierter Wolframdraht, 5
m Durchmesser, 1,2 mm Länge
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Vergoldete Drahtsonde Gesamtlänge 3 mm, 1,25 mm aktive Sensorlänge vergoldete Drahtenden
Vorteile: Präzise definierte aktive Sensorlänge reduzierte Wärmeabfuhr in die Halterspitzen gleichmäßige Temperaturverteilung längs des Drahtes geringerer Einfluss der Sondenhalterung in der Strömung
Sondentypen II
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Filmsonden Dünner Nickelfilm auf einem Quarzkörper Zusätzliche Quarzschicht schütz vor Korrosion, Verschleiß, mechanischer Beschädigung, elektrische Isolation
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Fiber-Film Sonden Dünner Nickelfilm auf einem drahtähnlichen Quarzstab (70µm)
Sondentypen III
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X Sonden für 2D Strömungen 2 Sensoren senkrecht zueinander. Messwinkel
±
45 o .
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Split Fiber Sonden für 2D Strömungen 2 Filmsensoren gegenüberliegend auf einem Quarzzylinder Messwinkel
±
90 o .
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Triaxiale Sonde für 3D Strömungen 3 Sensoren jeweils orthogonal zueinander. Messwinkel innerhalb 70 o Konus.
Experimental Fluid Dynamics
LDA Systeme – Strömung und Turbulenzen
Gut etablierte non-intrusive Punktmesssysteme für 1D, 2D oder 3D Geschwindigkeitserfassung von Gas- und Flüssigkeitsströmungen.
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- FiberFlow LDA FlowLite LDA FlowExplorer LDA
Eigenschaften des LDA
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Berührungsloses Messen ohne Rückwirkung auf das Medium Absolutes Messverfahren Hohe Genauigkeit, da kein Einfluss durch Temperatur, Dichte, etc. Hohe zeitliche Auflösung bis mehrere kHz Hohe örtliche Auflösung durch kleines Messvolumen Physikalisch linearer Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Doppler-Signal
Laser
HeNe Ar-Ion Nd:YAG Diode
PC Das LDA Prinzip Strömung Sendeoptik
Strahlteiler (Freq. Shift) Achrom. Linse Gas Flüssigk.
Partikel
Signal verarbeitung
Spektrumanalyse FFT-Prozessor
Empfangsoptik mit Detektor
Achrom. Linse Räuml. Filter Photomultiplier Photodiode
Signal aufbereitung
Verstärker Filter
Sendeoptiken
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Grundmodule: Strahlteiler Achromatische Linsen
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Optionen: Frequenzshift (Braggzelle)
– –
niedr. Geschw.
Strömungsrichtung Strahlaufweitung
– –
Verkl. des Messvolumens Erhöhung der Laserintensität
D
Laser
D L
BS
D
E F
Bragg zelle
Linse
Prozessor Geschwindigkeit = Weg/Zeit Strömung mit Partikeln Signal d (bekannt) t (gemessen) Detektor Zeit Bragg zelle Laser Rückstreulicht Messvolumen
Signalcharakteristiken
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ungefiltertes Signal gefiltertes Signal
LDA - Interferenzstreifenmodell
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Das Strahlenkreuz und das Schnitt- bzw. Messvolumen Ebene Wellenfronten Interferenz in der Ebene des fokussierten Schnittvolumens Hell-Dunkel Streifenmuster
Richtungmehrdeutigkeit / Frequenzverschiebung
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Partikel gleicher Geschwindigkeit ergeben gleiche Dopplerfrequenz unabhängig von der Bewegungsrichtung.
f f max f shift f min u u min u max u min u max shift no shift
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Die Einbindung einer Frequenzverschiebung bewirkt eine konstante Bewegung des Interferenzstreifenfeldes Reversible Geschwindigkeiten und Geschwindigkeit Null werden erkannt
Frequenzverschiebung / Braggzelle
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Akusto-optischer Modulator
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Signalgenerator (typisch: 40 MHz)
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Frequenzerhöhung um die Shiftfrequenz Akustischer Absorber
f
s
40 MHz Piezo transducer Wellenfront
Absorber
f L f L + f S
LDA Fiber Flow LDA System
3D Messung um ein 1:5 Fahrzeugmodell in einem Windkanal Mit freundlicher Genehmigung von Mercedes-Benz, Germany
Messung des Strömungsprofils in einem Rohr
Strömungsprofile einer turbulenten Strömung
Umströmung einer Schiffsschraube in einem Kavitationstank Mit freundlicher Genehmigung der Universität Rostock, Germany
Wasserströmung in einem Pumpenmodell Mit freundlicher Genehmigung der Grundfos A/S, DK
Strömungsmessung in einem Ventilmodell Mit freundlicher Genehmigung der Westsächsische Hochschule Zwickau, Germany
Vergleich von EFD und CFD Ergebnissen
Strömungsfeld zwischen Kühler und Kondensator
Experimental Fluid Dynamics
PDA Systeme - Partikel Charakterisierung
Berührungslose Analyse der Partikelgröße, Geschwindigkeit und Massenstrom von spherischen Partikeln - FiberPDA Systeme - DualPDA Systeme
Das PDA Prinzip Optische Parameter für einen PDA-Aufbau:
X
Strömung Detektor 1
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Strahl Schnittwinkel
Streuwinkel
Höhenwinkel
Polarisation (parallel oder senkrecht zur Streuebene) Form und Größe der Detektorblende
Y
Streuebene
Detektor 2
Z
Streuformen Die Intensität des Einfallstrahls wird teilweise reflektiert und gebrochen. 3. Ordnung Reflektion Das Intensitätsverhältnis ist durch die Fresnel-Koeffizienten gegeben und hängt vom Einfallwinkel, der Polarisation und dem relativen Brechungsindex.
Incident ray
-2 -1 2 1
6. Ordnung n p n m
1
Der Streuwinkel ergibt sich durch das Snelliussche Gesetz 8. Ordnung 5. Ordnung Die Phase ergibt sich durch die optische Pfadlänge des Strahls.
-1
Brechung
-2
2. Ordnung Der Großteil der Intensität ist in den ersten drei Streumodi enthalten.
n p > n m
2
Brechnung 1. Ordnung 4. Ordnung 7. Ordnung
HiDense PDA
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HiDense PDA ist eine Komplettlösung: FiberFlow Sonde mit Argon Laser HiDense PDA Sonde mit Slit Selector BSA P80 Prozessor mit großem Geschwindigkeitsbereich BSA Flow Software
PDA und Ultra-Dense-Sprays
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Herausforderungen:
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Mitte des Sprays erreichen
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Hohe Geschwindigkeits schwankungen
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Kleine Partikel
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Anforderungen
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Kleine Abmessung der Sonde
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Hohe Laserleistung Erweiterte Signalverarbeitung
Mit freundlicher Genehmigung von Lotus Engineering
Treibstoffeinspritzung bei Automobilen
Photo: AVL, Graz, Austria
Treibstoffeinspritzung bei Flugzeugmotoren
Photo: DLR, Institut für Antriebstechnik, Köln, Germany
Düsendesign
Photo: Gustav Schlick GmbH & Co., Untersiemau, Germany
Partikel Größenbestimmung Kombinationen
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Beispiele: HiDense Sprays
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PDA
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High speed flächenhafte Darstellung Spray Visual
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PDA Shadow images of sprays
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High speed Schattengrößenbestimmung Dr. Tropea, Sales meeting Treibstoffeinspritzung
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PDA
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Mie/LIF Systeme PDA Calibrate LIF data from Formula 1 engine injection nozzle Shadow size
Experimental Fluid Dynamics
PIV Produkt Familie
Komplettes Angebot von Flächenmesssystemen für 2D- und 3D Anwendungen:
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- 2D und 3D Standard PIV 2D und 3D TR-PIV Verstärkte Kameras - NanoSense Technologie µPIV and µLIF LII Mie/LIF Technik Schattentechnik
Was ist Particle Image Velocimetry?
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Mit PIV kann man unmittelbar Strömungsgeschwindigkeiten in einer Ebene messen.
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Mit den klassischen CTA- und LDA-Messverfahren kann man Strömungsgeschwindigkeiten in einem Punkt und über einen Zeitraum hinweg messen.
0.1
0.05
0 -0.05
0 -0.1
0.5
1 1.5
2 2.5
3 3.5
4
Tim e
PIV – Was wird benötigt?
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Das Messverfahren in einfachen Schritten
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Die Strömung wird mit Partikeln versehen („Seeding“)
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Das Messfeld wird beleuchtet
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Die Kamera macht zwei Bildaufnahmen
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Das Bild wird ausgewertet
Synchronisierung von gepulsten Lasern Doppel-Cavity Pulslaser mit Q-Switch Testlampe Freilauf Cavity 1 Blitzlampe 1 Q-Switch 1 Synchronisations einheit Cavity 2 Blitzlampe 2 Q-Switch 2
Räumliche Auflösung
Abfrageraster L int Räumliche Auflösung im Strömungsfeld L int M Pixel
Gute Kreuzkorrelation
Strömungen um einen LKW-Außenspiegel
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Messung im 1:1 Windkanal
FlowSense Kamera Lichtschnitt optik Wand mit Schlitzen Nd:YAG Laser
Ansicht von oben
4m Niedrige Strömungs geschwindigkeit 10 - 20 m/Sek.
Stromauf wärts Position Nd:YAG Lichtschnitt Stromabwärts Position LKW Rauch generator Außenspiegel an der Fahrerseite
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Messposition: Stromaufwärts
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Freie Strömung: 10 m/Sek.
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Rauchpartikel
LKW
16 x 16 cm Fläche
Spiegel
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Messposition: Stromabwärts
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Freie Strömung: 10 m/Sek.
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Rauchpartikel
LKW Spiegel
16 x 16 cm Fläche
PIV Anwendung für Komfortdesign
Model in Air Messungen von der HSVA Hamburg / Airbus Bremen
Entstehung der Randwirbel
Vektor Feld Wirbel Click on the picture
Vektor Feld und Geschwindigkeitsverteilung Click on the picture
Wirbel beide Vortex Click on the Picture
Solid Mechanics Dantec Dynamics repräsentiert die Kompetenzen der Gruppe bei Material-, Komponenten- und Oberflächenmessungen im elastischen Bereich
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Wir liefern innovative Lösungen für
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Dehnungs- und Spannungs Analysen Vibrationsmesstechnik Zerstörungsfreies Prüfen NDT/NDI
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Berührungsfrei
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Flächenmessung
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3D
Für jede Anwendung das geeignete Messsystem Dehnungs Spannungs Analyse Q-100 Q-300 Q-400 Vibrations-Analyse Q-500 Zerstörungsfreie Qualitätsprüfung Q-600 Q-800
Innovative Technologie – Weltweit angewandt!
Automobil Luft- und Raumfahrt Weitere