Ausstattung

Im Labor für Technische Mechanik und Strömungslehre stehen wissenschaftliche Kompetenzen in den folgenden Bereichen zur Verfügung:

Windkanal (Bild: Markus Baum/TH Köln)

Windkanal:

Das Labor verfügt über einen Niedergeschwindigkeits-Windkanal der Göttinger Bauart inkl. zugehöriger laserbasierter Messtechnik.

Der Windkanal ist im Bereich der Aerodynamik ein essentielles Werkzeug zur experimentellen Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen einem strömenden Medium und den von ihm um- bzw. durchströmten Körpern unter Berücksichtigung von definierten Laborbedingungen. Die wesentliche Kompetenz liegt dabei in der Betrachtung von Wechselwirkungen mechanischer (Kraftwirkung), elektrischer (Ladungsänderung) oder thermischer (Temperaturänderung) Art. In dem Windkanal kann innerhalb der Messstrecke ein definiertes Strömungsfeld mit homogenen Parametern erzeugt und die oben genannten Wechselwirkungen durch modernste Messtechnik erfasst werden. Im Fokus stehen aktuell Untersuchungen von Mechanismen der Fluid-Struktur-Interaktion sowie der Anwendung sogenannter Morphing-Strukturen.

Background Oriented Schlieren System (BOS) zur Messung von Variationen von Brechungsindexen in Strömungen:

Im Labor steht ein Background Oriented Schlieren System (BOS) zur Verfügung. Dies ist ein optisches, nicht-invasives Verfahren, um Strömungen aufgrund von Dichteunterschieden (Gradienten im Brechungsindex) zu visualisieren. Mit Hilfe der optischen Messungen lassen sich somit ohne externe Strömungsbeeinflussung quantitative Aussagen über die zeitlich und räumlich hochaufgelöste Luftbewegung, in Echtzeit, treffen. Der Messaufbau besteht im Wesentlichen aus einer Hintergrundstruktur, einer hochauflösenden Kamera, die während des Versuchs auf den Hintergrund fokussiert ist, sowie dem zu untersuchenden Objekt.

Zwei Rohrmessstrecken für die experimentelle Untersuchung inkompressibler und kompressibler Strömungen:

Im Labor stehen zwei Rohrmessstrecken für die experimentelle Untersuchung inkompressibler und kompressibler Strömungen zur Verfügung. In beiden Rohrstrecken sind mehrere integrierte Durchflussmesseinrichtungen (u.a. Ultraschallmessgeräte, Normblenden, Venturirohre) sowie zahlreiche Differenzdruckmessgeräte verbaut. Zusätzlich besteht die Möglichkeit lokale Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsverteilungen mit Hilfe eines PLIF-Systems (planar laser-induced fluorescence) berührungslos und präzise zu erfassen. Insgesamt lassen sich so neben Druckverlusten unterschiedlicher Einbauelemente (Ventile, Klappen, Filter, Blenden, etc.) auch optische Untersuchungen der Strömungskonfiguration vornehmen.

Statischer Mischer:

Zur Untersuchung und Manipulation von Mischvorgängen mehrphasiger Strömungen stehen im Labor für Strömungslehre mehrere statische Mischer der Fa. STRIKO Verfahrenstechnik GmbH zur Verfügung. Hierbei liegt ein besonderer Fokus auf der Intensivierung von Wärmeübergangsprozessen und einer verstärkten Homogenisierung von Konzentrations- und Temperaturfeldern innerhalb von Rohrströmungen. Statische Mischer nutzen anders als bei dynamischen Mischkonzepten die kinetische Energie des strömenden Mediums. Die besondere Herausforderung besteht dabei ein optimale Mischgüte bei gleichzeitig möglichst minimalem Druckverlust zu realisieren.

Strukturmechanische Untersuchungen (FEM):

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) stellt heutzutage ein wesentliches Instrument des modernen Computer-Aided Engineering dar. Um den Entwicklungsprozess drastisch zu beschleunigen, wird das Testen von Prototypen zunehmend durch numerische Simulationstechniken wie die Finite-Elemente-Methode ersetzt. Auf diese Weise ist es möglich, Designkonzepte und Prozessmerkmale bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung zu bewerten und anzupassen.

Computational Fluid Dynamics (CFD):

Mit der numerischen Strömungsmechanik (CFD) lassen sich Umströmungs- und Durchströmungsvorgänge simulieren. Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Analyse, Modellierung und Simulation von Mischvorgängen mehrphasiger Strömungen & Mechanismen der Wärmeübertragung.

Spritzgießsimulation:

Kunststoffteile steigen in den letzten Jahren in ihrer Komplexität sowie in den Qualitätsanforderungen an den Formteilen und Werkzeugen. Durch die Anwendung der Spritzgießsimulation ist es möglich Qualitätsprobleme bei Kunststoffbauteilen im Vorfeld aufzudecken. Durch die Spritzgießsimulation ist es möglich Einflussfaktoren des Herstellungsprozesses -wie Temperierung, Füllverhalten, Werkzeugkühlung und Zykluszeit-, als auch die Bauteilkonstruktion hinsichtlich Schwindung und Verzug mittels Simulation zu betrachten.

Dem Labor für Strömungslehre stehen die folgenden Gerätschaften zur Verfügung.

Niedergeschwindigkeitswindkanal Göttinger Bauart mit 2D LDA und 2D PIV

Eigenschaften:

•  Düsenaustrittsquerschnitt: 705 x 705 mm (quadratisch)
•  Messstreckenlänge: 805 mm
•  Kontraktionsverhältnis 4:1
•  Turbulenzgrad: 0,3%
•  max. Strömungsgeschwindigkeit (geschlossene Messstrecke): 56 m/s
•  max. Strömungsgeschwindigkeit (offene Messstrecke): 51 m/s

Rohmessstrecken für inkompressible und kompressible Medien inkl. Messtechnik

LIF System (laser-induced fluorescence)

Die planare laserinduzierte Fluoreszenz (engl. planar laser-induced fluorescence, PLIF) ist ein spektroskopisches Messverfahren. Mit Hilfe von Laserlicht als Anregungsquelle werden Atome bzw. Moleküle innerhalb einer Strömung zur Fluoreszenz angeregt und damit sichtbar gemacht. Durch diese "berührungslose" Messtechnik ist die Erforschung der Konzentrationsverteilung einer Spezies auch bei turbulenten und instationären Strömungsprozessen möglich. Das PLIF-System hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, so kann es beispielsweise zur experimentellen Validierung von numerischen Berechnungen (CFD) und zur Ermittlung wichtiger Kenngrößen der konvektiven Wärmeübertragung genutzt werden. Mit Hilfe der laserbasierten Messungen lassen sich ohne externe Strömungsbeeinflussung quantitative Aussagen über die Temperaturverteilung im Strömungsmedium und den Wärmeübergang treffen. Des Weiteren können vor allem Mischungsvorgänge mit den zugrundeliegenden Konzentrationsfeldern untersucht werden. Mit Hilfe des PLIF-Systems lassen sich zum Beispiel Parameter zur Optimierung der Mischung, aber auch Zonen schlechter Durchmischung bis hin zu Ablagerungen identifizieren. Das Ergebnis einer derartigen PLIF-Messung sind zeitlich und räumlich hoch aufgelöste zweidimensionale Falschfarbendarstellungen der zu untersuchenden Speziesverteilung.

Exemplarische Untersuchung einer laserbahandelten Oberfläche (Bild: Denis Anders / TH Köln)

konfokales 3D Laserscanning-Mikroskop

Die Oberfläche eines Festkörpers stellt per Definition eine natürliche Grenze zwischen dem Volumen und seiner Umgebung dar. Ihre technische Relevanz ergibt sich dadurch, dass sämtliche Interaktion zur Umgebung (Kraftübertragung, chemische Prozesse, Wärmeübergang, etc.) über die Oberfläche stattfindet. Mit Hilfe spezieller Verfahren kann die Oberfläche auf ein bestimmtes Anforderungsprofil sowie Funktionalität (z.B. mechanischer Schutz, optische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, tribologische Eigenschaften, etc.) hin optimiert werden kann. Dadurch können die Oberflächeneigenschaften maßgeblichen Einfluss auf die technischen Eigenschaften des gesamten Bauteils entfalten.

Aus technischer Sicht ist für ein tiefergehendes Verständnis zahlreicher Prozesse und Fertigungsverfahren eine detaillierte Analyse der beteiligten technischen Oberflächen unumgänglich. Jedoch lassen sich derartige Oberflächen aufgrund ihrer komplexen physikalischen Eigenschaften, chemischen Zusammensetzung sowie topologischen Parameter je nach Untersuchungsszenario erst durch anspruchsvolle Messtechnik hinreichend charakterisieren. Zu diesem Zweck steht im Labor für Technische Mechanik und Strömungslehre ein konfokales 3D Laserscanning-Mikroskops inkl. der zugehörigen 3D-Messsoftware zur Verfügung. Das Messprinzip beruht dabei auf einem systematischen Abrastern der Probenoberfläche mittels eines fokussierten Laserstrahls und liefert eine maximale Rauigkeitsauflösung von bis zu 5 nm. Darüber hinaus bietet das Mikroskop über eine integrierte Fokusvariationsmessung auch die Funktionalität eines hochauflösenden Digitalmikroskops. Durch Abfahren verschiedener Höhenniveaus lassen sich anhand der gewonnenen Bilddaten dreidimensionale Höhendaten generieren, welche dann zur Bestimmung von Rauigkeiten und Oberflächenprofilen dienen. Aktuell steht an der gesamten TH Köln kein vergleichbares Mikroskop zur Verfügung.

digitales 3D-Bildkorrelationssystem (DIC)

Die digitale Bildkorrelation (engl. digital image digitale correlation oder kurz DIC) stellt ein kamerabasiertes Verfahren zur berührungslosen Verformungs-/Dehnungsmessung an flachen Bauteilen dar. Mit Hilfe eines derartigen DIC-Systems lassen sich entwickelte Materialmodelle experimentell verifizieren. Das Anwendungsspektrum reicht von simplen Messungen im linear elastischen Bereich sowie der Charakterisierung von anisotropen Materialverhalten bis hin zu bruchmechanischen Studien und Schwingungsanalysen.  Die experimentelle Untersuchung von lokalen Dehungs- und Verformungszuständen erfolgt üblicherweise mit Dehnungsmessstreifen oder Extensometern. Der Einsatz eines DIC-Systems hat gegenüber den genannten Systemen wesentliche Vorteile im Hinblick auf Messauflösung und breite des Anwendungsspektrums (z.B. auch auf Gitterstrukturen möglich). Das im Labor zur Verfügung stehende DIC-System kann beispielsweise zur experimentellen Validierung von numerischen Berechnungen (FEM), Schädigungshypothesen und zur Ermittlung wichtiger Kenngrößen in der Materialmodellierung genutzt werden. Mit Hilfe der Messungen lassen sich quantitative Aussagen über die Verformung der untersuchten Oberflächen treffen und Rückschlüsse auf den Belastungszustand der Probe ziehen. Des Weiteren eignen sich DIC-Systeme hervorragend für die Charakterisierung von dehnratenabhängigem Werkstoffverhalten sowie die Untersuchung von additiv gefertigten Gitterstrukturen (z.B. mittels SLM). Das Ergebnis einer solchen DIC-Messung sind zeitlich und räumlich hoch aufgelöste zweidimensionale Falschfarbendarstellungen der untersuchten dreidimensionalen Verschiebungs-/Dehnungsfelder.

Windkanal inkl. Drucksensoren, Mehrkomponenten-Windkanalwaage

• 2D-LDA (Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Punkt)
• 2D-PIV (Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einer Ebene)

PIV/LIF-System: Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit sowie der Temperatur- bzw. Konzentrationsverteilungen in einer Messebene (vorwiegend bei Rohrströmungen)

Spektrometer: Bestimmung des Trübungsgrades von Flüssigkeiten

Mehrere Ultraschalldurchflussmessgeräte für die Ermittlung der räumlich gemittelten Strömungsgeschwindigkeit innerhalb eines Strömungsquerschnittes in der Rohrmessstrecke

Viskosimeter: Messung der Viskosität von nieder- und mittelviskosen Flüssigkeiten

Nebelsonde: Visualisierung von Stromlinien im Windkanal

Einfache Infrarotkamera für thermographische Messungen

FiloCut3 (Schmelzschneidegerät): CNC-gesteuerte Schneidmaschine für Demonstratoren aus Styropor

Dehnungsmessstreifen (Messrosetten): Messung lokaler Dehnungen

Digitales Bildkorrelationssystem: Optische Dehnungsmessung

System für Virtual-Reality-Anwendungen mit einer VR-Brille

diverse Demonstratoren aus Praktikumsversuchen zur Strömungsmechanik (Kavitation, Impulskräfte, Pelton- und Francisturbine, Bernoulligleichung, Laminare und turbulente Strömungen, Föttinger-Wandler)

kleine Wärmepumpe

konfokales 3D-Laserscanning Mikroskop:

Oberflächenanalyse, Rauigkeitsmessung