Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation

Der Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse selbsterregter Strömungsphänomene und das dafür notwendige Auswerteverfahren werden in dieser Arbeit beschrieben. Zur Untersuchung von solchen Mechanismen, die in Turbo-Verdichtern als Rotierende Instabilitäten in Erscheinung treten, wird auf Datensätze zurückgegriffen, die anhand experimenteller Untersuchungen an einem ringförmigen Verdichter-Leitrad gewonnen wurden. Die Rotierenden Instabilitäten sind zeitabhängige Strömungsphänomene, die bei hohen aerodynamischen Belastungen in Verdichtergittern auftreten können. Aufgrund der fehlenden Phaseninformation kann diese instationäre Strömung mit konventionellen PIV-Systemen nicht erfasst werden. Die Kármánsche Wirbelstraße und Rotierende Instabilitäten stellen beide selbsterregte Strömungsvorgänge dar. Die Ähnlichkeit wird genutzt um die Funktionalität des Verfahrens anhand der Kármánschen Wirbelstraße nachzuweisen. Der mittels PIV zu visualisierende Wirbeltransport erfordert ein besonderes Verfahren, da ein externes Signal zur Festlegung des Phasenwinkels dieser selbsterregten Strömung nicht zur Verfügung steht. Die Methodik basiert auf der Kopplung der PIV-Technik mit der Hitzdrahtanemometrie. Die gleichzeitige Messung mittels einer zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messung ermöglicht den Zeitpunkten der PIV-Bilder einen Phasenwinkel zuzuordnen. Hierzu wird das Hitzdrahtsignal mit einem FFT-Verfahren analysiert, um die PIV-Bilder entsprechend ihrer Phasenwinkel zu gruppieren. Dafür werden die aufgenommenen Bilder auf der Zeitachse der Hitzdrahtmessungen markiert. Eine systematische Analyse des Hitzdrahtsignals in der Umgebung der PIV-Messung liefert Daten zur Festlegung der Grundfrequenz und erlaubt es, der markierten PIV-Position einen Phasenwinkel zuzuordnen. Die sich aus den PIV-Bildern einer Klasse ergebenden Geschwindigkeitskomponenten werden anschließend gemittelt. Aus den resultierenden Bildern jeder Klasse ergibt sich das zweidimensionale zeitabhängige Geschwindigkeitsfeld, in dem die Wirbelwanderung der Kármánschen Wirbelstraße ersichtlich wird. In hierauf aufbauenden Untersuchungen werden Zeitsignale aus Messungen in einem Verdichterringgitter analysiert. Dabei zeigt sich, dass zusätzlich Filterfunktionen erforderlich sind. Im Ergebnis wird schließlich deutlich, dass die Übertragung der anhand der Kármánschen Wirbelstraße entwickelten Methode nur teilweise gelingt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind.

Programmierung in Pascal

Das hier frei verfügbare Skript gehört zu einer gleichnamigen Vorlesung, die von Prof. Dr. Lutz Wegner bis zum Wintersemester 1998/99 am damaligen Fachbereich 17 Mathematik/Informatik der Universität Kassel gehalten wurde. Thema ist die Einführung in die Programmierung, wie sie am Anfang fast aller Informatik-, Mathematik- und verwandter Ingenieurstudiengänge steht. Hier erfolgt die Einführung mit der Programmiersprache Pascal, die Niklaus Wirth (ehemals ETH Zürich) bereits 1968 entwickelte. Sie gilt als letzte Vertreterin der rein prozeduralen Sprachen und führt in der Regel zu sauber strukturierten Programmen. In der damals auf PCs weit verbreiteten Turbo Pascal Variante geht es auch um Objektorientierung, die charakteristisch für das heutige Programmierparadigma mit Java ist. Alte (und neu geschriebene) Pascal-Programme lassen sich problemlos mit den Free Pascal Open Source Compilern (www.freepascal.org) übersetzen und unter allen gängigen Betriebssystemen zur Ausführung bringen. Wer hierfür eine fachlich präzise und trotzdem vergleichsweise gut lesbare Einführung mit Hinweisen auf guten und schlechten Programmierstil braucht, wird hier fündig und kommt über den Stickwortindex am Ende auch schnell zu Einzelthemen wie Parameterübergabe oder das Arbeiten mit Pointern.