Strömungsprofile berührungslos messen mit Mikrometer-Auflösung

Um die Messung des Geschwindigkeitsprofils von Strömungen besser zu erfassen, hat das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) einen neuartigen optischen Sensor entwickelt, der hochaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen ermöglicht.

Was hat ein Flugzeug mit einer Druckerpatrone zu tun? Oberflächlich gesehen, hat ein Flugzeug mit einem Tintenstrahldrucker nichts gemeinsames: Das eine kann nicht drucken, das andere nicht fliegen. Aber bei näherer Betrachtung kann man doch einen gemeinsamen Nenner finden: Bei beiden sind Strömungen wichtig, bei dem einen die Luftströmung, beim anderen die Mikroströmungen der aus der Patrone fließenden Tinte. Eine genaue Kenntnis der Strömungsverhältnisse ist für eine zuverlässige Funktion beider, so unterschiedlicher „Geräte“ unerlässlich.

Um die Messung des Geschwindigkeitsprofils von Strömungen besser zu erfassen, hat das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) einen neuartigen optischen Sensor entwickelt, der hochaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen ermöglicht. Die erreichte Ortsauflösung von etwa 1 µm ist ca. 50 mal genauer als die bisher erreichte Auflösung von 0,05 mm. Das neue Verfahren basiert auf einer Vergleichsmessung zweier photoelektrischer Signale, die durch Lichtstreuung eines zweifarbigen Laserstrahles erzeugt werden.

Damit eignet sich der Geschwindigkeitsprofilsensor für strömungsmechanische Untersuchungen in der Luftfahrtbranche, z. B. für die Messung turbulenter Strömungen in Wandnähe. Beispielsweise ist die Kenntnis des Profils einer Umströmung von Flugzeugtragflächen von großer Bedeutung, um den reibungsbedingten Widerstand und damit die Betriebskosten reduzieren zu können. Auch in der Mikrofluidik sind hochaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen erforderlich, um beispielsweise Motoren-Einspritzdüsen, Tintenstrahldruckköpfe oder Mikrokanäle zu untersuchen.

Mit dem Einsatz von Mikrooptiken wie diffraktiven Linsen und Glasfasern ist auch eine Miniaturisierung des Profilsensors möglich, damit man das ganze System z. B. in einem Flugzeugmodell im Windkanal ’verstecken’ kann. Die Strömungsmessung erfolgt dann vom Inneren des Modells.

„Mit diesem System“ meint Herr Dr. Jürgen Czarske (LZH), der an der Entwicklung des Sensors beteiligt war, „kann eine Geschwindigkeitsmessung mit einer longitudinalen Ortsauflösung im Nanometerbereich erreicht werden.“

Der Geschwindigkeitsprofilsensor wurde in Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig und dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg mit Windkanalmessungen getestet.

Das LZH ist eine durch Mittel des niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Technologie und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.

Für mehr Information:
Laser Zentrum Hannover e.V.
Herr Michael Botts
Hollerithallee 8
D-30419 Hannover
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