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Title:
METHOD FOR DETERMINING A TRANSITION POINT AND/OR FOR DETERMINING WALL SHEAR STRESSES ON SURFACES AROUND WHICH SURFACES A FLOW CIRCULATES, AND MEASURING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/198251
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for determining a transition point and/or for determining wall shear stresses on surfaces (1) around which surfaces a flow circulates by means of thermography, wherein the method comprises the following steps: providing a surface with a heat insulation layer (3) on the surface (1) around which a flow is to circulate, circulating a flow around the surface (1) around which a flow is to circulate, heating the surface (1) around which a flow circulates, contactless measuring of the emitted flow intensity of the surface (1) around which a flow circulates by means of a camera system (7), determining at least one temperature decay coefficient on the surface (1) around which a flow circulates and ascertaining the transition point and/or the wall shear stresses on the surface (1) around which a flow circulates. The invention further relates to a method for determining a transition point and/or for determining wall shear stresses on surfaces around which a flow circulates and/or the qualitative representation of the heat transfer into the flow.

Inventors:
STADLBAUER MARTIN (DE)
GRÜNDMAYER JÜRGEN (DE)
VON PLEHWE FELIX (DE)
Application Number:
PCT/DE2014/000294
Publication Date:
December 18, 2014
Filing Date:
June 10, 2014
Export Citation:
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Assignee:
MTU AERO ENGINES AG (DE)
International Classes:
G01N25/72; G01L1/00; G01M9/06
Foreign References:
US5085073A1992-02-04
US20050143938A12005-06-30
Other References:
MAYER R ET AL: "QUANTITATIVE INFRARED-THERMOGRAPHY FOR WALL-SHEAR STRESS MEASUREMENT IN LAMINAR FLOW", INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER, PERGAMON PRESS, GB, vol. 41, no. 15, 1 August 1998 (1998-08-01), pages 2347 - 2360, XP009021800, ISSN: 0017-9310, DOI: 10.1016/S0017-9310(97)00361-X
EHUD GARTENBERG ET AL: "Boundary-layer transition detection with infrared imaging emphasizing cryogenic applications", AIAA JOURNAL, vol. 32, no. 9, 1 September 1994 (1994-09-01), pages 1875 - 1882, XP055145214, ISSN: 0001-1452, DOI: 10.2514/3.12186
THIJS DEFRAEYE ET AL: "CFD analysis of convective heat transfer at the surfaces of a cube immersed in a turbulent boundary layer", INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER, vol. 53, no. 1-3, 1 January 2010 (2010-01-01), pages 297 - 308, XP055145167, ISSN: 0017-9310, DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.09.029
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von

Wandschubspannungen an umströmten Flächen (1) mittels Thermografie, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

- Bereitstellen einer Oberfläche mit einer Wärmedämmschicht (3) auf der zu

umströmenden Fläche (1);

- Umströmen der zu umströmenden Fläche ( 1 );

- Erwärmen der umströmten Fläche (1);

- Berührungsloses Messen von abgegebener Strahlungsintensität der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems (7);

- Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der

umströmten Fläche (1); und

- Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der

umströmten Fläche (1)

- und/oder flächige Darstellung der Abklingkoeffizienten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche eine auf die Wärmedämmschicht (3) aufgebrachte Funktionsschicht hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend den Schritt:

- Ermitteln von Referenzwerten, wobei die abgegebene Strahlungsintensität der umströmten Fläche (1) mittels des Kamerasystems (7) ohne Umströmung der zu umströmenden Fläche (1) gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend den Schritt:

- Bestimmen der Temperaturabklingkonstanten an der umströmten Fläche (1), wobei die Referenzwerte von den gemessenen Werten der abgegebenen Wärme der umströmten Fläche (1) mit Umströmung der zu umströmenden Fläche abgezogen werden, oder umgekehrt.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die umströmte Fläche (1) eine Fläche einer Turbinenrotorschaufel ist.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die umströmte Fläche (1) eine Fläche einer Turbinenstatorschaufel ist.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Kamerasystem (7) ein Infrarotkamerasystem ist oder ein solches aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Infrarotkamera mit einem Boroskop verbunden ist oder ein solches aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die umströmte Fläche (1) mittels einer Blitzlampe (5) oder mittels eines Lasers erwärmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die

Wandschubspannungen mittels der zuvor bestimmten Temperaturabklingkoeffizienten ermittelt werden.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die abgegebene Wärme der umströmten Fläche (1) auf der Strömungsseite der umströmten Fläche (1) gemessen wird.

12. Messvorrichtung zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von

Wandschubspannungen an umströmten Flächen (1), wobei die Messvorrichtung konfiguriert ist zum Ausführen der Verfahrensschritte: - Erwärmen der umströmten Fläche (1);

- berührungsloses Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche (1) mittels eines Kamerasystems (7);

- Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der

umströmten Fläche (1); und

- Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der

umströmten Fläche (1)

und/oder die qualitative Darstellung des Wärmeübergangs in die Strömung.

Description:
Beschreibung

Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen und Messvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen gemäß Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 12.

Zum Verständnis von Strömungsvorgängen an umströmten Körpern ist es von Bedeutung, mittels Messungen den Übergangs- oder Transitionspunkt zwischen laminarer und turbulenter Strömung zu bestimmen. Hierfür wird unter anderem die sogenannte Heißfilmanemometrie angewendet, welche beispielsweise entlang einer Linie eines umströmten Körpers den

Transitionspunkt ermittelt. Mit Hilfe von Heißfilmanemometriemessungen und einer

entsprechenden Kalibrierung kann die Wandschubspannung bestimmt werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges berührungsloses Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen vorzuschlagen. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Messvorrichtung vorzuschlagen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Sie wird ferner durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Bestimmung eines Transitionspunktes an umströmten Flächen mittels Thermografie vorgeschlagen. Mit dem Verfahren können zusätzlich oder alternativ Wandschubspannungen an den umströmten Flächen bestimmt werden.

Ein Transitionspunkt beschreibt allgemein den Umschlagpunkt von einer laminaren in eine turbulente Strömung, oder von einer turbulenten in eine laminare Strömung, insbesondere entlang einer Fläche, im Raum oder entlang einer Linie. Der Transitionspunkt wird auch als Instabilitätspunkt der Strömung bezeichnet.

|Bestätigungskopie| Thermografie beschreibt ein bildgebendes Verfahren zur Messung und/oder Anzeige einer Temperatur, insbesondere der Oberflächentemperatur, von Objekten. Dabei wird die Intensität einer Infrarotstrahlung, die von einem Punkt oder von einer Fläche beispielsweise des Objektes ausgeht, als Maß für dessen Temperatur angenommen.

Für die Bestimmung des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Oberfläche mit einer Wärmedämmschicht auf der zu beströmenden oder zu umströmenden (kurz: umströmten) Fläche, Be- oder Umströmen (kurz: Umströmen) der zu umströmenden Fläche, Erwärmen der umströmten Fläche, berührungsloses Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems, Bestimmen von wenigstens einem

Temperaturabklingkoeffizienten an der umströmten Fläche und Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der umströmten Fläche bzw. qualitative Visualisierung des Wärmeübergangs in die Strömung.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist vorgesehen, eingerichtet und/oder konfiguriert zur Bestimmung des Transitionspunktes und/oder von Wandschubspannungen an umströmten Flächen. Weiterhin ist die Messvorrichtung konfiguriert zum Ausführen wenigstens der folgenden Verfahrensschritte: Erwärmen der umströmten Fläche, berührungsloses Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems, Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der umströmten Fläche und Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der umströmten Fläche. Hierzu weist sie die jeweils erforderlichen Vorrichtungen auf.

Bei allen vorstehenden und folgenden Ausführungen ist der Gebrauch des Ausdrucks„kann sein" bzw.„kann haben" usw. synonym zu„ist vorzugsweise" bzw.„hat vorzugsweise" usw. zu verstehen und soll erfindungsgemäße Ausf hrungsformen erläutern.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen und Ausführungsformen.

Erfindungsgemäße Ausführungsformen können eines oder mehrere der im Folgenden genannten Merkmale aufweisen. Der Begriff„Wärmedämmschicht", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Schicht mit niedrigen Wärmeleiteigenschaften. Ein Maß für die Wärmeleitung in einem Material oder einem Stoff ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials oder des Stoffs. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Stoffeigenschaft.

Eine Wärmedämmschicht kann als eine Schicht mit schlechten Wärmeleiteigenschaften bezeichnet werden. Wird beispielsweise eine Oberfläche einer Wärmedämmschicht mittels einer Wärmequelle erwärmt (z. B. durch Wärmestrahlung), so wird die Wärme nur in geringem Maß von dieser Wärmedämmschicht weitergeleitet (oder nur in geringem Maß an der Oberfläche weitergeleitet).

Generell gibt es keine Einschränkung der Wärmeleitfähigkeit. Es hat sich allerdings gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Dämmschicht wenigstens einen Faktor 5 kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials.

Als Wärmedämmschicht kann bspw. Epoxidharzlack, z.B. ΙΟΟμηι verwendet werden.

In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Wärmedämmschicht eine Dicke von einigen Mikrometern (μηι), z. B. zwischen 0,1 μηι und 500 μηι.

Eine Wärmedämmschicht kann als Wärmeisolierschicht bezeichnet werden.

In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Wärmedämmschicht auf die Oberfläche der zu umströmenden Fläche aufgebracht und damit bereitgestellt. Beispielsweise kann die Wärmedämmschicht lösbar oder nicht lösbar auf der Oberfläche aufgebracht und befestigt werden, insbesondere mittels Kleben. Alternativ kann die Wärmedämmschicht auflackiert, aufgedampft, geheftet, geschweißt (z. B. mittels Punktschweißen), gelötet und geklemmt werden. Kombinationen der genannten Befestigungsvarianten sind erfindungsgemäß ebenfalls möglich.

In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die zu umströmende Fläche mit der Wärmedämmschicht auf der Oberfläche bereits vorgefertigt bereitgestellt. Beispielsweise kann die Wärmedämmschicht unter besonderen Fertigungsbedingungen (z. B. unter Vakuum) mit der zu umströmenden Fläche an einem anderen Ort hergestellt werden.

In manchen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die zu umströmende Fläche aktiv umströmt. Der Begriff„aktiv", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Strömung, die direkt auf die zu umströmende Fläche gelenkt wird, wie dies beispielsweise bei einem Modell in einem Windkanal der Fall ist, bei der die Strömung auf das Modell gelenkt wird, um bestimmte Strömungsphänomene zu studieren. Das Modell kann beispielsweise ein Flugzeug mit

Flügelprofilen, eine Statorschaufel in einer Turbine oder ein Automodell zur Bestimmung des Luftwiderstands sein.

In einigen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die zu umströmende Fläche passiv umströmt. Der Begriff„passiv", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Strömung, die zwangsläufig ein Profil umströmt, weil das Profil selbst bewegt wird. Dies tritt beispielsweise bei einer Laufschaufel (oder Laufrad) in einer Gasturbine auf, die eine Umströmung erfährt, weil die Laufschaufel selbst bewegt (in Rotation versetzt) wird.

In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die umströmte Fläche erwärmt, insbesondere kurzzeitig erwärmt.

Die Erwärmung der umströmten Fläche wird in manchen erfindungsgemäßen

Ausfuhrungsformen auf der freien Oberfläche der Wärmedämmschicht erwärmt, also auf der Seite der Wärmedämmschicht, die nicht mit der umströmten Fläche direkt verbunden ist.

In gewissen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen erfolgt das berührungslose Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems, insbesondere mittels eines Infrarotkamerasystems. Eine Infrarotkamera wird auch als Wärmebildkamera oder als Thermografiekamera bezeichnet.

In manchen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die abgegebene Wärme der umströmten Fläche berührungslos flächig gemessen. Unter einer flächigen Messung ist hierbei eine Messung zu verstehen, die nicht mittels einer punkt- oder linienförmigen Messung oder Abtastung (wie beispielsweise bei dem sogenannten Linienabtastverfahren) eine flächige Messung schrittweise aufbaut, sondern die mit einer einzigen Messung die zu messende Fläche erfasst. Diese flächige Messung kann als vollflächige Messung bezeichnet werden.

In einigen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die abgegebene Wärme der umströmten Fläche berührungslos räumlich und/oder zweidimensional auf der Oberfläche gemessen. In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird wenigstens ein

Temperaturabklingkoeffizient an der umströmten Fläche bestimmt. Insbesondere kann der Temperatur abklingkoeffizient an jedem Ort (synonym zu jeder Stelle) auf der Oberfläche und/oder flächig bestimmt werden.

Der Temperaturabklingkoeffizient kann proportional zum Wärmeübergangskoeffizient sein oder so angenommen werden.

In einigen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird der Transitionspunkt und/oder werden die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche ermittelt, nachdem der

Temperaturabklingkoeffizient an der umströmten Fläche bestimmt wurde. Anders ausgedrückt wird der Transitionspunkt und/oder werden die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche basierend auf der Bestimmung des Temperaturabklingkoeffizienten ermittelt.

In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen weist die Oberfläche der

Wärmedämmschicht eine auf der Oberfläche aufgebrachte Funktionsschicht auf. Beispielsweise kann die Oberfläche eine Schicht mit einer Farbe hoher Emissivität (synonym zu: Farbe mit einem hohen Emissionsgrad) als Funktionsschicht aufweisen. Der Begriff„Emissionsgrad" eines Körpers, wie er hierin verwendet wird, gibt an, wie viel (Wärme-) Strahlung der Körper im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, einem sogenannten schwarzen Körper, abgibt.

Beispielsweise weist poliertes Eisen einen niedrigen Emissionsgrad von ca. E = 0,1 auf (der Emissionsgrad E eines Körpers kann als das Verhältnis der von einem Flächenelement des Körpers spezifischen Ausstrahlung zu der von einem Schwarzen Körper derselben Temperatur abgestrahlten Strahldichte angegeben werden).

Der Emissionsgrad sollte im relevanten Wellenlängenbereich und/oder in der relevanten

Wärmeleitfähigkeit möglichst hoch sein, bspw. E 0,6.

Durch das Aufbringen der Funktionsschicht kann in manchen erfindungsgemäßen

Ausfuhrungsformen die abgegebene Wärme der umströmten Fläche vorteilhaft mit einem höheren Signal-zu-Rausch- Verhältnis gegenüber einer umströmten Fläche ohne Funktionsfläche mittels des Kamerasystems detektiert werden.

In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden Referenzwerte der abgegebenen Wärme der umströmten Fläche mittels des Kamerasystems ermittelt, wobei die zu umströmende Fläche bei der Erfassung der Referenzwerte nicht umströmt wird. Somit werden bei der Erfassung der Referenzwerte insbesondere die folgenden Schritte durchgeführt: Bereitstellen einer Oberfläche mit einer Wärmedämmschicht auf der zu umströmenden Fläche, Erwärmen der Fläche, berührungsloses Messen von abgegebener Strahlungsintensität in einem λ-Bereich (λ = Wellenlänge) der Fläche über der Zeit mittels eines Kamerasystems, Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der Fläche.

In manchen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen werden Temperaturabklingkonstanten an der umströmten Fläche bestimmt, wobei Referenzwerte von den gemessenen Werten abgezogen (oder subtrahiert) werden oder umgekehrt (d. h. die gemessenen Werte werden von der

Referenzwerten abgezogen). Die gemessenen Werte beziehen sich hierbei auf die abgegebene Strahlungsintensität der umströmten Fläche bei Umströmung der zu umströmenden Fläche. Mittels dieser Differenzbildung können vorteilhaft Messfehler aufgrund unterschiedlicher lokaler Emissionskoeffizienten und Wärmeleitfähigkeiten sowie inhomogener Beleuchtung auf der Oberfläche vermieden werden. Dadurch kann erreicht werden, dass nur der Wärmeübergang in die Strömung selbst abgebildet oder effektiv gemessen wird, Wärmetransportphänomene in das Material der umströmen Fläche und/oder in die Wärmedämmschicht spielen keine oder nur eine untergeordnete Rolle.

In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die umströmte Fläche eine Oberfläche einer Turbinenrotorschaufel. Eine Turbinenrotorschaufel kann eine Rotorschaufel einer

Hochdruckturbinen- und/oder einer Niederdruckturbinenstufe einer Turbine sein. Die

Turbinenrotorschaufel kann weiterhin eine Rotorschaufel einer Hochdruckverdichter- und/oder einer Niederdruckverdichterstufe einer Turbine sein.

In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die umströmte Fläche eine Fläche einer Turbinenstatorschaufel. Eine Turbinenstatorschaufel kann eine Statorschaufel einer

Hochdruckturbinen- und/oder einer Niederdruckturbinenstufe einer Turbine sein. Weiterhin kann die Turbinenstatorschaufel eine Statorschaufel einer Hochdruckverdichter- und/oder einer Niederdruckverdichterstufe einer Turbine sein.

In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist das Kamerasystem ein

Infrarotkamerasystem oder weist ein solches auf. Eine Infrarotkamerasystem kann als

Wärmebildkamerasystem, Thermografiekamerasystem, Thermalkamerasystem oder als

Wärmebildgerät bezeichnet werden.

In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Infrarotkamera mit einem Boroskop verbunden oder weist ein Boroskop auf. Weitere synonyme Bezeichnungen für Boroskope sind: Boreskope, Endoskop, Technoskope, Autoskope oder Intraskope. Mittels eines Boroskops (z. B. eines Infrarotboroskops)oder anderen Optiken kann bei Anwendungen in Turbinen das

Abklingverhalten der abgegebenen Wärme an zuvor erwärmten, umströmten Rotorflächen über mehrere Umdrehungen des Rotors hinweg gemessen werden.

In einigen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen wird die umströmte Fläche mittels einer Blitzlampe oder mittels eines Lasers erwärmt. Mittels einer Blitzlampe oder mittels eines Lasers kann die umströmte Fläche mit oder ohne Umströmung innerhalb einer kurzen Zeitspanne (kurzzeitig) erwärmt werden. Mittels spezieller schneller Infrarotkameras (z. B. sogenannter Indium Antimonide (InSb)„Focal Plane Array" (FPA)-Kameras mit einer Bildwiederholrate um die 800 Bildern pro Sekunde und Integrationszeiten von unter 1 με) kann das

Temperaturabklingverhalten der Oberfläche vollflächig aufgenommen und die Abklingkonstante für jeden Ort auf oder über der Oberfläche bestimmt werden.

In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die Erwärmung (z. B. mittels

Blitzlampe oder Laser), die berührungslose Messung der abgegebenen Wärme und die

Bestimmung des Temperaturabklingkoeffizienten wenigstens ein zweites Mal wiederholt, um beispielsweise durch Mittelung der Messergebnisse das Signal-Rausch- Verhältnis zu optimieren. Weitere Messungen können das Signal-Rausch- Verhältnis weiter optimieren.

In bestimmten erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen werden die Wandschubspannungen mittels zuvor bestimmter Temperaturabklingkoeffizienten ermittelt. Die Korrelation zwischen den Wandschubspannungen und den Temperaturabklingkoeffizienten basiert auf dem im

Folgenden erläuterten Zusammenhang. Die Temperaturabklingkoeffizienten sind proportional zu den Wärmeübergangskoeffizienten. Weiterhin gilt für inkompressible Strömungen die sogenannte Reynoldsanalogie, die besagt, dass die Impuls- und Wärmeübertragung bei reibungsbehafteten Strömungen ähnlich sind. Folglich kann basierend auf einer, beispielsweise mittels eines Infrarotkamerasystems, gemessenen Wärmeübertragung die Impulsübertragung bestimmt werden. Mittels der Impulsübertragungen können die Wandschubspannungen ermittelt werden. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren berührungslos eine vollflächige Wandschubspannungsmessung oder Quasiwandschubspannungsmessung durchgeführt werden. Des Weiteren kann eine einfache Visualisierung (quantitativ) des Wärmeübergangs in die Strömung realisiert werden.

In gewissen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird die abgegebene Wärme der umströmten Fläche auf der Strömungsseite der umströmten Fläche gemessen.

In manchen erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen ist die Messvorrichtung zur Bestimmung eines Transitionspunktes und/oder von

Wandschubspannungen an umströmten Flächen zum Ausführen der folgenden

Verfahrensschritte konfiguriert: Erwärmen der umströmten Fläche, berührungsloses Messen von abgegebener Wärme der umströmten Fläche mittels eines Kamerasystems, Bestimmen von wenigstens einem Temperaturabklingkoeffizienten an der umströmten Fläche und Ermitteln des Transitionspunktes und/oder der Wandschubspannungen an der umströmten Fläche.

In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird der Transitionspunkt und/oder werden die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche ermittelt, indem die Messdaten der berührungslosen Messung der abgegebenen Wärme und/oder der wenigstens eine

Temperaturabklingkoeffizienten analysiert werden. Eine Analyse kann einen Vergleich beispielsweise mit weiteren Messdaten, die früher aufgenommen wurden, oder mit Messdaten aus Tabellen oder anderen Vergleichsdaten (oder Referenzdaten) beinhalten. Eine Analyse kann einen Vergleich mit Verlaufsdaten von früheren Messungen beinhalten. Aufgrund dieser Analyse kann der Transitionspunkt bestimmt und/oder die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche ermittelt werden.

In manchen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird der Transitionspunkt und/oder werden die Wandschubspannungen an der umströmten Fläche ermittelt, indem die Messdaten der berührungslosen Messung der abgegebenen Wärme und/oder der wenigstens eine

Temperaturabklingkoeffizienten mit einer Vergleichsvorrichtung mit weiteren Daten verglichen werden.

In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Messvorrichtung ein Prüfstand. Die Messvorrichtung kann eine Auswerteeinheit der Messergebnisse einschließen.

Manche oder alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen können einen, mehrere oder alle der oben und/oder im Folgenden genannten Vorteile aufweisen.

Ein Vorteil einer Wärmedämmschicht auf der zu umströmenden Fläche kann darin bestehen, dass eine geeignet von außen aufgebrachte Erwärmung auf eine flächige Seite der

Wärmedämmschicht sich nicht auf die andere flächige Seite, insbesondere nicht auf die Seite, die direkt mit der umströmten Fläche verbunden ist, fortsetzt oder zumindest nur in geringem Maß fortsetzt. Somit kann vorteilhaft verhindert werden, dass die von außen aufgebrachte Wärme die unterhalb der Wärmedämmschicht liegende umströmte Fläche erwärmt oder zumindest nicht wesentlich erwärmt. Folglich kann auch keine Wärme, oder allenfalls nur ein kleiner Teil hiervon, mittels Wärmeleitung (synonym zu Wärmekonduktion) im umströmten Teil weitergeleitet werden, welches für das erfindungsgemäße Messverfahren mit dem Kamerasystem nicht zur Verfügung stehen würde.

Ein weiterer Vorteil der Wärmedämmschicht ist die erzielbare, bessere Ortsauflösung bei der berührungslosen Messung der abgegebenen Wärme der umströmten Fläche. Diese bessere Ortsauflösung resultiert daher, dass die Wärme lokalisiert bleibt, nicht verschmiert und nicht, oder zumindest nur in geringerem Maß, mittels Wärmeleitung auf der Oberfläche weitergeleitet und flächig verteilt wird.

Mittels einer wärmedämmenden Schicht auf einer zu umströmenden Fläche, beispielsweise einer Schaufel, kann vorteilhaft ein hoher Kontrast bei der Messung der abgegebenen Wärme erreicht werden.

Die quantitative Berechnung eines Wärmeübergangskoeffizienten kann mittels einer

Wärmedämmschicht deutlich weniger fehlerbehaftet sein.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung exemplarisch erläutert. In der schematisch vereinfachten, einzigen Figur gilt:

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer umströmten Fläche mit Wärmedämmschicht,

welche mittels einer Blitzlampe erwärmt wird, und ein Kamerasystem.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer umströmten Fläche 1 mit einer flächig hiermit verbundenen Wärmedämmschicht 3, welche mittels einer Blitzlampe 5 kurzzeitig erwärmt wird. Weiterhin ist vereinfacht ein Kamerasystem 7 dargestellt, welches die von der Wärmedämmschicht 3 abgegebene Wärme berührungslos erfasst.

Mittels der Wärmedämmschicht 3 kann einerseits zumindest weitgehend verhindert werden, dass ein Teil der Wärme in die umströmte Fläche 1 weitergeleitet wird. Andererseits wird die Wärme auf oder entlang der Oberfläche der Wärmedämmschicht 3 nicht weitergeleitet oder verteilt. Somit kann aufgrund der Wärmedämmschicht 3 ein hoher Kontrast bei der berührungslosen Messung der abgegebenen Wärme erreicht werden. Weiterhin ist aufgrund der

Wärmedämmschicht 3 die quantitative Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten wesentlich weniger fehlerbehaftet.

Das Kamerasystem 7 kann beispielsweise ein Infrarotkamerasystem mit einer hohen

Bildwiederholrate (bspw. um die 800 Bildern pro Sekunde) und kurzen Integrationszeiten (von unter 1 μβ) sein. Mit einem derartigen Infrarotkamerasystem kann das

Temperaturabklingverhalten der Oberfläche der Wärmedämmschicht 3, welche mit der umströmten Fläche 1 verbunden ist, vollflächig aufgenommen und die Abklingkonstante für jeden Ort auf der Oberfläche bestimmt werden. Da sich der Wärmeübergangskoeffizient beim Übergang von laminarer auf turbulente Strömung 9 ändert, kann damit ein evtl. vorhandener Transitionsbereich vollflächig erfasst werden.

Das Verfahren greift sehr viel weiter! Das Verfahren ist generell anwendbar für jegliche Art von umströmter Fläche, wie z. B. skaliere Modelle von Autos, Zügen und Flugzeugen in

Windkanälen. Für Sportartikelentwicklungen wäre dieses Verfahren (wie Fahrrad-,

Motorradhelme, Golfbälle etc.) ebenfalls anwendbar. Bei der Entwicklung von Windkraftwerken (insbesondere in der Rotorentwicklung) könnte dieses Verfahren auch angewandt werden.

Bezugszeichenliste

Bezugszeichen Beschreibung

1 umströmte Fläche

3 Wärmedämmschicht

5 Blitzlampe

7 Kamerasystem

9 Strömung; laminar/ turbulent