zum Bestimmen eines Fluidstroms

Die Erfindung betrifft eine Grenzschichtsonde, eine Messanordnung sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Fluidstroms.

Hintergrund

Die sogenannte Oberflächenzaunsonde repräsentiert in ihrer einfachsten Form mit einem einzelnen geraden Zaun (Hindernis) eine bewährte und vielfach eingesetzte Messtechnik zur Bestimmung von Wandschubspannungen sowie wandnahen Strömungsgeschwindigkeiten. Das Messprinzip besteht darin, die Fluidströmung im wandnahen Bereich durch ein mikroskopisch kleines Hindernis (in diesem Fall ein Zaun) zu stören. Bei bekannten Grenzschichtsonden befinden sich jeweils vor und hinter dem Zaun Druckbohrungen, die als Diffe- renzdruck zusammengefasst werden können. Wird der Zaun überströmt, entsteht stromauf ein Aufstau- und stromab ein Ablösegebiet, beziehungsweise ein Über- und Unterdrück. Eine Drehung der Sonde um 360° liefert die sogenannte Winkelcharakteristik - ein Differenzdruck- verlauf in Cosinus Form. Mittels dieser Kurve kann sowohl der Winkel der Zuströmung als auch der absolute Geschwindigkeitswert bestimmt werden. Für die Aufnahme der Winkelcharakteristik muss die Sonde jedoch einmal vollständig um sich selbst gedreht werden. Diese Tatsache birgt viele Nachteile. Einerseits entfällt so die Möglichkeit instantan Schwankungen der Fluidbewegung zu messen und andererseits ist der Messaufbau durch seine Komplexität für viele praktische Anwendungen ungeeignet. Darüber hinaus muss der Messaufwand als vergleichsweise hoch eingestuft werden, da die Sonde in äquidistanten Schrit- ten um 360° gedreht werden muss.

Die Oberflächenzaunsonde wird auch als Grenzschichtsonde bezeichnet.

Die Wandschubspannung ist in der Strömungsmechanik die von einem Fluid auf umströmte Wände ausgeübte, tangential wirkende Kraft pro Flächeneinheit und weist definitionsgemäß eine Richtung auf. Die Wandschubspannung ist der Impulsfluss durch das an die Wand angrenzende Volumen des Fluids und folgt aus der Reibung der Fluidelemente an der Wand und untereinander. In der Strömungsmechanik werden sowohl die gerichtete, vektorielle Form als auch ihr Betrag als Wandschubspannung bezeichnet. Zusammenfassung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Grenzschichtsonde, eine Messanordnung sowie ein Ver- fahren zum Bestimmen eines Fluidstroms anzugeben, mit denen die Strömungseigenschaften im wandnahen Bereich (Grenzschicht) auf verbesserte Art und Weise bestimmt werden kann.

Zur Lösung sind eine Grenzschichtsonde, eine Messanordnung sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Fluidstroms nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie den nebengeordneten Ansprüchen 12 und 13 geschaffen. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängi- gen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt ist eine Grenzschichtsonde zum Bestimmen eines Fluidstroms geschaffen. Die Grenzschichtsonde weist eine Messfläche auf, die an einer Sondenwand gebildet ist und entlang welcher im Messbetrieb ein zu bestimmender Fluidstrom anliegt. Es ist eine Anordnung von Messhindernissen vorgesehen, die im Bereich der Messfläche gebildet sind, welche den Fluidstrom in einem Strömungsbereich benachbart zur Messfläche stören. Die Messhindernisse weisen jeweils einen langgestreckten Hindernisverlauf auf, welcher sich über eine jeweilige Hindernislänge erstreckt. Die Messhindernisse sind in Umfangsrichtung in im Wesentlichen äquidistanten Winkelabständen angeordnet. Die Grenzschichtsonde weist Druckmessstellen auf, die zum Erfassen eines jeweiligen lokalen Drucks im Bereich der Messfläche jeweils in radialer Richtung benachbart zu einem zugeordneten der Hindernisse angeordnet sind.

Nach einem weiteren Aspekt ist eine Messanordnung zum Bestimmen eines Fluidstroms mit der Grenzschichtsonde geschaffen. Die Messanordnung weist einen Messraum auf, der eingerichtet ist, eine Strömung eines zu bestimmenden Fluidstroms aufzunehmen, wobei die Strömung entlang einer Sondenwand der Grenzschichtsonde mit einer hierauf gebildeten Messfläche strömen kann. Es ist eine Druckmesseinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, an Druckmessstellen im Bereich der Messfläche der Grenzschichtsonde jeweils einen lokalen Druck zu erfassen.

Nach einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Wandschubspannung für einen Fluidstrom geschaffen, bei dem eine Grenzschichtsonde bereitgestellt wird und in einem Messraum eine Strömung eines zu bestimmenden Fluidstroms ausgebildet wird. Die Strömung strömt hierbei entlang einer Sondenwand der Grenzschichtsonde mit einer hierauf gebildeten Messfläche. Es werden Druckmesswerte für einen lokalen Druck an Druckmessstellen im Bereich der Messfläche der Grenzschichtsonde erfasst, wobei hierbei für benachbarte Druckmessstellen Differenzdrücke erfasst werden. Mittels Auswerten der Druckmesswerte wird wenigstens eine physikalische Messgröße für eine Grenzschicht des Fluidstroms auf der Messfläche der Grenzschichtsonde bestimmt, wobei die wenigstens eine physikalische Messgröße aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Fließgeschwindigkeit und Wandschubspannung.

Beim Bestimmen des Fluidstroms kann vorgesehen sein, eine Richtung des Fluidstroms zu bestimmen.

Die in Umfangsrichtung in im Wesentlichen äquidistanten Winkelabständen angeordneten Messhindernisse bilden eine effiziente Anordnung von Messhindernissen, um physikalische Messgrößen für die Grenzschicht des Fluidstroms auf der Messfläche zu bestimmen, zum Beispiel die Wandschubspannung, insbesondere hinsichtlich Betrag und / oder Richtung. Die Messhindernisse bilden eine Anordnung von mikroskopischen Hindernissen, die den zu bestimmenden Fluidstrom in seinem Grenzschichtbereich (wandnaher Bereich zur Messfläche der Grenzschichtsonde) stören, wenn dieser entlang der Messfläche an der Sondenwand strömt. Hierdurch entstehen charakteristische Druckverhältnisse im Bereich der Messfläche, die mithilfe der Druckmessstellen gemessen werden, um hieraus eine oder mehrere physika lische Mess- oder Kenngrößen für die Fluidströmung im wandnahen Bereich zu bestimmen.

Die Messfläche kann mit unterschiedlichen Flächenumfangsformen gebildet sein, zum Bei- spiel einer runden oder eckigen Form. Die Grenzschichtsonde kann eine Wandung eines Strömungskanals oder -rohres integriert sein, durch welchen hindurch der Fluidstrom strömt. Hierbei kann die Messfläche von einem Wandabschnitt der Wandung gebildet sein.

Die Hindernisse der Anordnung von Messhindemissen können alle gleich oder verschieden ausgebildet sein, insbesondere hinsichtlich ihres langgestreckten Hindemisverlauf und / oder einer Hindernishöhe oder -tiefe.

Ausgehend von der erfassten Differenzdruckwerten kann die physikalische Messgröße bestimmt werden, insbesondere die Wandschubspannung, wie dies in Verbindung mit Grenz- schichtsonde an sich bekannt ist. Die Hindernisse können im Bereich der Messfläche drehsymmetrisch angeordnet sein. Dieses bedeutet, dass die Hindernisse mittels Drehen der Messfläche um einen Mittelpunkt der Anordnung von Messhindernissen zur Deckung miteinander gebracht werden können.

Der langgestreckte Hindernisverlauf kann sich zumindest abschnittweise entlang einer gekrümmten Linie erstrecken. Alternativ können die langgestreckten Hindernisse geradlinig ausgebildet sein. Es kann eine Kombination von einem oder mehreren gekrümmten oder gewölbten Abschnitten und einem oder mehreren geradlinigen Abschnitten im langgestreckten Hindernisverlauf vorgesehen sein. Es wurde gefunden, dass eine solche Hindernisaus- bildung insbesondere auch bei höheren Fluidgeschwindigkeiten von Vorteil ist, bei denen die Kompressibilität des zu vermessenden Fluids nicht mehr vernachlässigbar ist. Üblicherweise trifft das auf Fluidmachzahlen zu, welche größer als 0.3 sind. Die Machzahl ist eine dimensionslose Kennzahl der Strömungslehre für Geschwindigkeiten. Sie gibt das Verhältnis der Geschwindigkeit v (bspw. eines Körpers oder eines Fluids) zur Schallgeschwindigkeit des umgebenden Fluids an.

Für konkave oder konvexe Hindernisverläufe wurde gefunden, dass eine solche Ausbildung insbesondere bei höheren Fluidgeschwindigkeiten von Vorteil ist, zum Beispiel bei Geschwindigkeiten, die durch eine Mach-Zahl von wenigstens etwa 0.4 oder wenigstens etwa 0.5 gekennzeichnet sind."

Wird dann:

"Für konkave oder konvexe Hindernisverläufe wurde gefunden, dass eine solche Ausbildung insbesondere bei höheren Fluidgeschwindigkeiten von Vorteil ist, bei denen die Kompressibilität des zu vermessenden Fluides nicht mehr vernachlässigt werden kann, Üblicherweise trifft das auf Fluidmachzahlen zu, welche größer als 0.3 sind."

In einer Ausführungsform ist ein mittlerer Abschnitt des langgestreckten Hindernisverlaufs für die Hindernisse gekrümmt oder gewölbt. An den mittleren Abschnitt schließen sich beidseitig nach radial außen gerichtete geradlinige Abschnitte des Hindernisverlaufs an. Der langge- streckte Hindernisverlauf kann für die Hindernisse jeweils durchgehend oder mit Unterbrechungen ausgebildet sein.

Der langgestreckte Hindernisverlauf kann in Bezug auf einen Mittelpunkt oder ein Zentrum der Anordnung von Messhindernissen hin konkav oder konvex gekrümmt sein. Alternativ kann der langgestreckte Hindemisverlauf in Bezug auf den Mittelpunkt der Anordnung von Messhindernissen von diesem weg gewölbt sein. Bei diesen oder anderen Ausführungsformen kann ein Krümmungsradius im gekrümmten Abschnitt des langgestreckten Hindernisverlaufs für alle Hindernisse der Anordnung gleich sein. Alternativ können verschiedene Krümmungsradien vorgesehen sein. Für konkave oder konvexe Hindernisverläufe wurde gefunden, dass eine solche Ausbildung insbesondere bei höheren Fluidgeschwindigkeiten von Vorteil ist, bei denen die Kompressibilität des zu vermessenden Fluides nicht mehr vernachlässigt werden kann. Üblicherweise trifft das auf Fluidmachzahlen zu, welche größer als 0.3 sind.

Distale Endabschnitte benachbarter Messhindernisse können ein- oder beidseitig benachbart zueinander benachbart zueinander angeordnet sein. Die distalen Endabschnitte, also die Abschnitte der langgestreckten Hindernisverläufe, die radial außen liegend angeordnet sind, können am umlaufenden äußeren Rand der Messfläche enden. Alternativ ist das Ende des distalen Endabschnitts nach radial innen beabstandet vom äußeren Rand angeordnet. Die benachbarte Anordnung der distalen Endabschnitte kann parallel oder keilförmig ausgebildet sein. Der benachbarte Verlauf kann an den äußeren Rand der Messfläche stoßen oder beabstandet hiervon enden.

Die distalen Endabschnitte der benachbarten Messhindernisse können miteinander verbunden sein. Hierdurch kann ein geschlossener Verlauf der Hindernisse gebildet sein, sei es in Kreis, Stern- oder Mehreckform. Im Bereich der Verbindung zwischen Enden benachbarter Messhindemisse können Eckbereiche ausgebildet sein.

Die Druckmessstellen können jeweils in einem mittleren Abschnitt des zugeordneten Hindernisses angeordnet sein. Eine dem jeweiligen Hindernis zugeordnete Druckmessstelle kann in der Mitte des langgestreckten Hindemisverlaufs angeordnet sein.

Die Hindernisse können jeweils mit wenigstens einer Hindemisform aus der folgenden Grup- pe gebildet sein: auf der Messfläche überstehender Steg oder Zaun und auf der Messfläche angeordnete Vertiefung, zum Beispiel in Form eines Grabens. Die Hindernisformen können für die Hindernisse jeweils durchgehend oder unterbrochen ausgebildet sein. Mittels Vertiefung ausgebildete Hindernisse sind alternativ (zum gekrümmten Hindernisverlauf) geeignet für höhere Fluidgeschwindigkeiten, bei denen die Kompressibilität des zu vermessenden Fluids nicht mehr vernachlässigbar ist. Üblicherweise trifft das auf Fluidmachzahlen zu, wel- che größer als 0.3 sind. Vertiefte Hindernisse können auch ergänzend zum gekrümmten Hindernisverlauf vorgesehen sein, um die Eignung der Messanordnung auch für höhere Fluidgeschwindigkeiten zu unterstützen.

Die Anordnung von Messhindernissen kann wenigstens drei Hindernisse aufweisen. Die An- zahl der Druckmessöffnungen kann gleich der Anzahl der Hindernisse sein. Die wenigstens drei Hindernisse können getrennt voneinander oder miteinander verbunden ausgeführt sein. Wahlweise kann mit den wenigstens drei Hindernissen ein geschlossener Hindernisverlauf ausgebildet sein, in welchem den Hindernissen jeweils wenigstens eine Druckmessstelle zugeordnet ist.

Die Druckmessstellen können mit einer jeweiligen Druckmessöffnung ausgeführt sein, die rückseitig in einen zugeordneten Kanalabschnitt münden können, welcher einen Anschluss für die Druckmesseinrichtung aufweist. Der Kanalabschnitt kann sich auf der Rückseite der Messfläche quer hierzu erstrecken. Ein Kanalquerschnitt kann sich verändern. Beispielsweise kann ein sich unmittelbar an die Druckmessöffnung anschließender Kanalabschnitt mit einem ersten Kanalquerschnitt ausgebildet sein, wohingegen ein sich hieran rückseitig anschließender Kanalabschnitt einen zweiten Kanalquerschnitt aufweist, welcher größer als der erste Kanalquerschnitt ist. In Bezug auf die Messfläche der Grenzschichtsonde kann an ei nem distalen Ende des Kanalabschnitts ein Anschluss für die Druckmesseinrichtung angeordnet sein.

Alternativ können eine oder mehrere der Druckmessstellen mit einer auf der Messfläche an- geordneten Druckmesseinrichtung gebildet sein, zum Beispiel einer druckempfindlichen Messfolie, die wahlweise in eine zugeordnet Öffnung wenigstens teilweise eingelassen sein kann oder auf der Messebene angeordnet ist.

Jedem der Messhindernisse kann jeweils genau eine Druckmesssteile zugeordnet sein. Alternativ können einem oder mehreren der Messhindernisse mehr als eine Druckmessstelle zugeordnet sein.

In Verbindung mit der Messanordnung sowie dem Verfahren zum Bestimmen des Fluidstroms können die vorangehend für die Grenzschichtsonde erläuterten Ausgestaltungen entsprechend vorgesehen sein. Bei dem Verfahren können die Druckmesswerte zeitaufgelöst erfasst werden, woraus physi kalische Messgröße zeitabhängig in Betrag und / oder Richtung bestimmt werden können, zum Beispiel die Wandschubspannung und / oder eine Fließgeschwindigkeit im Grenzschichtbereich des Fluidstroms auf der Messfläche.

Die Richtung der physikalischen Messgröße, insbesondere die Richtung der Wandschubspannung, des Fluidstroms kann frei von einer Drehung der Messfiäche mit den Messhindernissen bestimmt werden. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig und nicht vorgesehen, die Sondenwand mit der Messfläche zu drehen, um Druckmesswerte zu erfassen, aus denen die Richtung der Wandschubspannung bestimmt werden kann. Vielmehr steht die Messfläche still, während der zu bestimmende Fluidstrom hierauf strömt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von Messflächen einer Grenzschichtsonde mit unterschiedlichen Anordnungen von Messhindernissen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer der Messflächen aus Fig. 1 sowie eine Schnittdarstellung hierzu;

Fig. 3 eine schematische Darstellung von weiteren Messflächen einer Grenzschichtsonde mit unterschiedlichen Anordnungen von Messhindernissen und Druckmessstellen; Fig. 4 eine schematische Darstellung für Differenzdruckverläufe in Abhängigkeit vom Drehwinkel und

Fig. 5 eine schematische Darstellung für eine 4D-Kalibrationskurve.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messfläche 1 einer Grenzschichtsonde zum Bestimmen eines Fluidstroms, insbesondere der Richtung des Fluidstroms, mit verschiedenen Anordnungen a), b) und c) von Messhindemissen 2a, 2b, 2c, die als nach vom überste- hende mikroskopische Stege oder in die Messfläche 1 eingelassene Vertiefungen ausgebildet sind, derart, dass ein zu bestimmender Fluidstrom, der an der Messfläche 1 vorbeiströmt lokal durch die Messhindernisse 2a, 2b, 2c gestört wird, sodass sich lokale Druckverhältnisse einstellen, die dann in Druckmessstellen 3a, 3b, 3c, welche jeweils einem der Messhin- demisse 2a, 2b, 2c zugeordnet sind, abgegriffen werden können. In Verbindung mit den Druckmessstellen 3a, 3b, 3c kann vorgesehen sein, diese jeweils mit einer Druckmessöffnung im Bereich der Messfläche 1 auszubilden, über die der lokale Druck gemessen werden kann. Alternativ kann auf der Messfläche 1 eine jeweilige Druckmesseinrichtung nageordnet werden, zum Beispiel in Form einer druckempfindlichen Folie, um den lokalen Druck zu messen.

Bei der Anordnung a) von Messhindemissen 2a, 2b, 2c sind diese mittig durch einen definierten Radius R1 verrundet. Eine Anhebung von R1 (in Fig. 1 von links nach rechts) resultiert in unterschiedlichen Sensorgeometrien. Das Extrem, R1 = °°, erzeugt ein dreieckiges Hindernis (vgl. Anordnung c)). Weiterhin kann die Variation der Anzahl n _s der Messhindernisse 2a, 2b, 2c vorgesehen sein. Unendliche Radien würden dann zu n-Eckigen Hindernissen führen. Unendlich viele Stege mit unendlich großen Radien in der Mitte resultieren schluss- endlich in einer Kreisform, wobei die Anzahl der Druckmessstellen um den Kreis herum endlich gehalten werden muss.

Fig. 2 zeigt in diesem Zusammenhang eine schematische Darstellung der Anordnung a) von Messhindernissen 2a, 2b, 2c, wobei auf der rechten Seite eine Schnittdarstellung gezeigt ist, bei der hinter der Druckmessöffnung ein Kanal 4 mit einem ersten und einem zweiten Kanalabschnitt 4a, 4b gezeigt ist, welcher sich quer zur Messfläche 1 rückseitig von der Druckmessöffnung erstreckt. Am Ende 5 des Kanals 4 kann eine Druckmesseinrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen werden, um den Druck zu messen.

Fig. 3 zeigt weitere Ausgestaltungen für eine Grenzschichtsonde, bei der auf der Messfläche 1 eine Anordnung von Messhindernissen 2a, 2b, 2c angeordnet ist. Hierbei sind distale Endabschnitte 6a, 6b benachbarter Messhindernisse miteinander verbunden, so dass ein durchgehender Verlauf hergestellt ist.

Die ersten vier der im oberen Teil der Fig. 3 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden von der ganz rechts dargestellten Ausführung dadurch, dass Eckbereiche dort ausgebildet sind, wo die Enden benachbarter Hindernissen aneinanderstoßen, was bei der ganz rechts gezeigten Ausgestaltung (runder Hindernisverlauf) nicht der Fall ist. Dies gilt auch für die in Fig. 3 in der Mitte dargestellten Beispiele von Hindemisverläufen.

Es wurde gefunden, dass die gekrümmte Hindemisausbildung (vgl. insbesondere Fig. 1 und 3) insbesondere bei höheren Fluidgeschwindigkeiten von Vorteil ist, bei denen die Kompres- sibilität des zu vermessenden Fluids nicht mehr vernachlässigt werden kann. Üblicherweise trifft das auf Fluidmachzahlen zu, welche größer als 0.3 sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Differenzdruckverläufe sowie eine 4D-Kalibrationskurve.

Fig. 4 zeigt Ergebnisse von Messungen. Analog zur bekannten Grenzschichtsonde mit Grenzschichtzaun werden die Differenzdruckverläufe als Bewertungsgrundlage herangezogen. Jeweils zwei Drücke werden hierbei in Form eines Differenzdrucks zu einem Messwert zusammengefasst.

Es lassen sich sehr gut drei phasenversetzte, harmonische Differenzdruckverläufe 20, 21 , 22 erkennen, die der Winkelcharakteristik des klassischen Grenzschichtzaunes sehr ähnlich sind. Die Bezugszeichen 20, 21 , 22 sind auf der linken Seite in Fig. 4 schematisch noch den zwei Druckmessstelen zugeordnet, für die jeweils der Verlauf der Druckdifferenz im Dia- gra m in Fig. 4 gezeigt ist. Für den Fall einer konstanten Einbauposition a ergibt sich eine Kombination aus drei Differenzdruckwerten, welche auf eine eindeutige Strömungsrichtung schließen lassen. Eine Möglichkeit ist die direkte Kalibrierung der Grenzschichtsonde, bei der die drei Differenzdrücke in Abhängigkeit des Strömungswinkels aufgetragen werden (vgl. Fig. 5).

Es können auch weitere Ansätze zur Winkelkalibrierung der Sonde verwendet werden. Eine Methode besteht darin, den Strömungswinkel analytisch anhand der drei Differenzdrücke zu berechnen:

Sowohl der Strömungswinkel als auch der maximal auftretende Differenzdruck (ideal bei 30° ± n 120° n e N) können mit nur einer einzigen Einbauposition bestimmt werden. Daher entfällt die aufwendige Drehung der Sonde.

Ein alternativer Auswertealgorithmus basiert auf einer Linearisierung der oben genannten Winkelcharakteristik. Für die lineare Interpolation sind mindestens zwei Differenzdrücke not- wendig. Im vorliegenden Fall sind es drei. Eine Grenzschichtsonde mit n Stegen würde im einfachsten Fall n Differenzdruckwerte liefern und die Winkelbestimmung weiter verbessern. Potentielle Anwendungsfälle sind vielzahlig. Es bedarf nach einer robusten kostengünstigen und zuverlässigen Messeinheit, um Strömungen an Objekten aller Art zu vermessen. Hierfür kann die hier offenbarte Technologie genutzt werden. Zu nennen hierbei beispielhaft - in beliebiger Reihenfolge - die Turbomaschinen- und Autoindustrie, Hersteller von Windkraftan- lagen und Flugzeugbauern. Weil der vorgestellte Ansatz verspricht, auch den anliegenden statischen Druck bestimmen zu können, würde eine Einheit des beschriebenen Sensortyps ausreichen, um eine umfangreiche Palette an relevanten Messdaten abbilden zu können. Vorher waren hierfür mutiple und unerschwingliche Systeme notwendig, welche nur in bestimmten Anwendungsfällen überhaupt eingesetzt werden konnten.

Mit der hier vorgestellten Sondentechnologie stehen erstmalig Strömungsinformationen zur Verfügung, die bis dato nur durch aufwendige Computermodelle mehr oder weniger zuverlässig abgebildet werden konnten. Denkbar ist auch die Validierung und Weiterentwicklung bestehender Simulationstechnik auf Basis der nun zur Verfügung stehenden Information.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.