Anwendung der Pressure Sensitive Paint: Transsonische Strömungen
Aufgrund der großen absoluten Druckunterschiede werden bis heute die besten PSP-Ergebnisse im transsonischen Geschwindigkeitsbereich erzielt. Neben der PSP-Farbe selbst, besteht die größte Hersausforderung um gute PSP-Ergebnisse zu erzielen, bei der Auslegung von Hardware, bestehend aus Modellbeleuchtung und Beobachtungskameras. Andererseits muss die Software in der Lage sein, in kurzer Zeit das PSP-System mit dem Windkanal zu synchronisieren und sofort die gemessenen Druckverteilungen zu berechnen.
Im Folgenden wird beschrieben, wie im DLR diese Herausforderungen gelöst wurden. Eine Vielzahl unterschiedlicher Ergebnisse aus verschiedenen Windkanälen und an unterschiedlichen Windkanalmodellen liegt vor. Die hier gezeigten Ergebnisse wurden am EADS MAKO Windkanalmodell im transsonischen Windkanal Amsterdam DNW-HST erzielt.
Für jede Beobachtungsrichtung stand eine UV-Lichtquelle zur Verfügung. Jede dieser UV-Lichtquellen war mit Lichtwellenleitern ausgerüstet. Acht CCD Kameras mit 12 bit Digitalisierungstiefe wurden zur Datenerfassung verwendet. In dieser Kombination von Lichtquellen und Kameras mit einem Beobachtungsabstand von einem Meter konnten Datenerfassungszeiten von typischerweise ca. 10 s realisiert werden. Ein Kamerapaar zur Detektion von Druck- und Referenzsignal kam zum Einsatz. Die eingesetzten optischen Filter vor den Kameras erfassen in unterschiedlichen Wellenlängen: einmal im Bereich 450-550 nm für das Drucksignal, das so genannte blaue Bild, zum anderen im Wellenlängenbereich von 600-650 nm für das Referenzsignal (Intensitäts-Monitoring), das so genannte rote Bild. Daher erfassen jeweils Kamerapaare für jede Beobachtungsrichtung die erforderlichen Bilder.
Ein typisches PSP-Ergebnis für die oben genannte Messung ist in der zweiten Abbildung dargestellt. Die Rohbilder wurden hierzu auf das strukturierte Oberflächengitter des untersuchten Modells abgebildet. Die Farbdarstellung der Druckverteilung ergibt sich nach Auswertung der einzelnen Graustufenbilder unter Anwendung der Kalibrierfunktion der PSP-Farbe. Die hier dargestellt Druckverteilung zeigt eindeutig den Verlauf der Wirbel über dem Modell als Unterdruckgebiete, als so genannten Fußabdruck der Strömung über dem Modell. Auch komplexe Interaktion von Wirbeln können demzufolge in den PSP-Ergebnissen gesehen und ausgewertet werden. Da die mit diesen Strömungen einhergehenden Druckunterschiede sehr groß sind, können diese starken Druckgradienten bereits in den Rohbildern bei unterschiedlichen Machzahlen und Modellanstellwinkeln gesehen werden.
Der Vergleich zwischen PSP-Ergbnissen mit konventionellen Druckanbohrungsergebnissen zeigt eine gute Übereinstimmung. Im Mittel konnte eine Standardabweichung von ΔCp <= 0,05 erreicht werden. Ergebnisse werden im TecPlot- oder NetCDF-Format an Kunden übergeben und sind somit für die Numerik sofort kompatibel.
Durch Integration der gemessenen Druckverteilung können ebenfalls Kräfte und Momente bestimmt werden.