Laser-Doppler-basierte Geschwindigkeitsprofil- und Geschwindigkeitsfeldsensoren für die hochauflösen

Strömungphänomene spielen in weiten Bereichen der industriellen Anwendung eine zentrale Rolle. Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Strömung nahe einer Wand (der Grenzschicht) und dem Gebiet zweier aufeinandertreffender Strömungen unterschiedlicher Geschwindigkeit (der Scherschicht) zu. So hängt die Effzienz und Sicherheit eines Kraftwerks maßgeblich von der Effzienz des Kühlkreislaufes ab. Diese wiederum ergibt sich aus der erzwungenen, turbulenten Strömung in Wandnähe des Wärmeübergangs. Die Durchflussbestimmung, z. B. von Erdgas, durch ein Rohr oder eine Düse ist durch genaue Kenntnis des Strömunggeschwindigkeitsprofils möglich, wobei hier eine genaue Kenntnis von Mittenströmung und Grenzschicht notwendig ist. Für diese Anwendungen werden industriell einsetzbare Strömungsmessinstrumente mit hoher Orts- und Geschwindigkeitsauflösung benötigt. In Festplattenspalten, bei Einspritzdüsen und in Mikrokanälen treten Strömungen auf, die auf kleinen Skalen zwei- oder dreidimensionales Verhalten aufweisen. Zur Erfassung solcher Strömungen sind hochauflösende Feldmessverfahren nötig. Der Laser-Doppler-Profilsensor ist ein auf der Laser-Doppler-Anemometrie basierendes Strömungsmessverfahren. Anstelle eines einzelnen Interferenzstreifensystems mit parallelen Strahlen werden zwei überlagerte Streifensysteme mit konvergierenden bzw. divergierenden Streifen verwendet. Dies gestattet die Bestimmung der Position der verwendeten Streuteilchen innerhalb des Messvolumens. Dadurch wird im Vergleich zur konventionellen Laser-Doppler-Anemometrie eine um je eine Größenordnung und mehr erhöhte Orts- und Geschwindigkeitsauflösung erreicht. Bisher wurde das Messverfahren allerdings ausschließlich in Strömungsmessungen im nichtindustriellen Bereich zum Nachweis der prinzipiellen Funktionalität eingesetzt. Außerdem erlaubt der Laser-Doppler-Profilsensor nur eine eindimensionale Positionsbestimmung. In dieser Arbeit wurden erstmalig Profilsensorsysteme für den industriellen Einsatz entwickelt und eingesetzt. Für die Durchflussmessung von Erdgas bei einem Druck von 50 bar konnte das Strömungsprofil im Austritt einer Düse erfolgreich vermessen werden. Die in der Mitte der Strömung gemessene Standardabweichung der Geschwindigkeit war um einen Faktor 20 geringer als mit einem konventionellen Laser-Doppler-Anemometer. Der niedrigste mit dem Profilsensor gemessene Turbulenzgrad der Strömung betrug 7 · 10 -4. Ebenso wurde das Turbulenzprofil in der Scherschicht präziser gemessen. Für einen Reaktormodellkühlkreislauf wurde ein Messsystem für die Grenzschichtmessung entwickelt, das erhöhten Anforderungen an die Stabilität und Nutzerfreundlichkeit genügte. Durch systematische Untersuchungen zum Einfluss der Auslegung und Positionierung der Detektionsoptik konnte die Entfernung des zur Wand nächsten Datenpunktes von 1 mm auf ca. 125 µm gesenkt werden. Damit wird ein zukünftige Messung zwischen ca. 1 mm hohen Rippenstrukturen möglich. Durch orthogonale Kombination von zwei Laser-Doppler-Profilsensoren wurde erstmals der Laser-Doppler-Feldsensor zur hochauflösenden zweidimensionalen Geschwindigkeitsfeldmessung aufgebaut. Er ermöglicht eine bildgebende Strömungsmessung, ohne eine Kamera zu verwenden. Seine Funktionsfähigkeit wurde durch Geschwindigkeitsfeldmessungen an einer Einspritzdüse und einem Mikrokanal demonstriert. Mit dem Laser-Doppler-Profilsensor lassen sich in Strömungsmessungen Ortsauflösungen im Sub- Mikrometerbereich und relative Geschwindigkeitsauflösungen 7 · 10 -4 erreichen. Die Vorzüge des Verfahrens ließen sich erstmalig in der industriellen Vermessung von Grenz- und Scherschichten zeigen. Der neu entwickelte Laser-Doppler-Feldsensor hat großes Potential zur Messung von kleinskaligen zweidimensionalen Scher- und Grenzschichtströmungen, insbesondere in der Mikrofluidik.