Navigation

Strömungsmessverfahren in der Strömungsmechanik

Im Folgenden werden nur wichtige und moderne optische Strömungsmessverfahren kurz vorgestellt und diskutiert. Optische Messmethoden setzen sich in der Fluidmechanik zunehmend durch, da sie den großen Vorteil haben, Strömungen nicht zu stören im Gegensatz etwa zu Sondenmethoden. Die meisten Fluide wie Wasser und Luft sind transparent bzw. „unsichtbar“. Sie enthalten keine inneren Strukturen, an deren Bewegung man das Strömen des kontinuierlichen Fluids erkennen könnte. Eine Sichtbarmachung ist allerdings dann möglich, wenn man dem Fluid Fremdpartikel beigibt, die sich mit der Strömungsgeschwindigkeit bewegen. Eine andere Art von Sichtbarmachung ist dann möglich, wenn das Fluid bestimmte optische Eigenschaften wie beispielsweise den Brechungsindex besitzt, welche sich als Funktion des Strömungszustandes ändern. In der Regel geschieht dieses dadurch, dass ein Lichtstrahl das Fluid durchsetzt, wo es in Abhängigkeit des Strömungszustandes verändert wird. Diese Änderungen werden durch eine geeignete optische Apparatur dargestellt. Da der Lichtstrahl im Allgemeinen nicht mit dem strömenden Fluid in Wechselwirkung tritt, d.h. die Strömung oder das Spray nicht stört, spricht man auch von störungs- oder berührungsfreien Messmethoden, siehe nachfolgende Abbildung.

Der optische Brechungsindex n eines Fluids ist definiert als das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im Fluid, Da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ihren Maximalwert besitzt, ist i.a. n>=1. Der Brechungsindex ändert sich auch mit der Lichtwellenlänge , l,n = n(l), und als Funktion der Fluiddichte bzw. als Funktion der Konzentration der Komponenten in einem Fluidgemisch. Strömungen, in denen Dichteänderungen (z.B. kompressible Strömungen) oder Konzentrationsänderungen (Gemischströmungen) auftreten, können also mit solchen optischen Methoden untersucht werden, die eine Messung des optischen Brechungsindex gestatten. Dies sind die so genannte Interferometer, welche hier nicht weiter besprochen werden sollen. Wir wollen uns vielmehr den wichtigeren, auf Partikelbasis beruhenden, optischen Verfahren zuwenden.

Zwischen einem Partikel oder Teilchen und Licht bestehen vier Wechselwirkungsarten:

1. Beugung an der Kontur des Teilchens (Fraunhofer Beugung),
2. Reflektion an der Partikeloberfläche, bei Fluidpartikeln (Tropfen oder Blasen)
    auch innerhalb der Partikel,
3. Brechung an der Grenzfläche vom Medium zum Partikel und umgekehrt
4. Lichtabsorption innerhalb des Teilchens.

Im Folgenden werden die optischen Messverfahren Beugungsspektrometrie, Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) und die Flüssigkristallmesstechnik kurz skizziert.