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Flow Visualization - Strömungsvisualisierung
 

Flow visualization techniques help you to become familiar with the fluid mechanics problems you have to solve. There are a large variety of techniques available, two I would like to present.

Strömungsvisualisierung hilft die strömungsmechanischen Problemen näher kennenzulernen, bevor man an eine Lösung herangeht. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Techniken, von denen ich zwei vorstellen möchte.

 

Schlieren technique - Schlierentechnik
 


The Schlieren technique visualizes density gradients in compressible media, e.g. gas flows. In technical flows, these density gradients are caused by pressure or temperature changes. In case the flow is small enough, two camera lenses, a small aperture and a glass plate with an opaque dot (Schlieren stop) are sufficient.

Die Schlierentechnik (Schlierenmethode) hilft bei der Sichtbarmachung von Dichtegradienten in kompressiblen Medien (z.B. Gasen). Diese Dichtegradienten sind in technischen Strömungen entweder durch Druck- oder Temperaturänderungen verursacht. Ist die Strömung klein genug, sind zwei Kameraobjektive, eine kleine Lochblende und ein Glasplättchen mit einem undurchsichtigen Punkt als Schlierenblende ausreichend.

 
 
 
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Flow through turbine blades (VKI LS1) at different Mach number -
Strömung durch Turbinenschaufeln (VKI LS1) bei verschiedenen Machzahlen:

 
 


Flow separation at a NACA 0012 profile -
Strömungsablösung an einem NACA 0012 Profil :

 
 
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Combustion instabilities in a combustion chamber (high-speed visualization, instabilities at app. 50Hz ) -
Verbrennungsinstabilitäten in einer Brennkammer (Hochgeschwindigkeitskamera, Instabilitäten bei ca. 50Hz ):

 
 
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Light sheet visialization - Lichtschnittvisualisierung
 


First, small particles or droplets are placed in an air flow (particles or air bubbles for water flows). A powerful laser, pulsed or continuous, then illuminates the flow. The small particles will scatter the light and the flow structures will become visible.

Zuerst müssen kleine Teilchen oder Tröpfchen der Luftströmung zugefügt werden (Teilchen oder Luftbläschen zu einer Wasserströmung). Dann wird die Strömung mit einem leistungsstarken Laser beleuchtet, gepulst oder kontinuierlich. Die kleinen Teilchen streuen das Licht und die Strukturen der Strömung werden sichtbar.

 
 
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Light sheet visualization of the flow through a burner. Small oil droplets were added to the methan/air mixture and are visible in the light sheet positions where no combustion took place. The second animation is without combustion (flow only), with the light sheet perpendicular to the flow axis and shifted along the flow axis. A green, pulsed Nd:YAG laser was used.

Lichtschnittvisualisierung der Strömung durch einen Brenner. Kleine Öltröpfchen wurden der Methan/Luft Mischung beigefügt und sind im Lichtschnitt dort sichtbar, wo noch keine Verbrennung eingesetzt hat. Die zweite Animation erfolgte ohne Verbrennung (nur Strömung), wobei der Lichtschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung lag und in dieser Richtung verschoben wurde. Ein grüner, gepulster Nd:YAG Laser wurde benutzt.

 
 
 
 
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Stereoscopic observation - Stereoskopische Beobachtung
 


Above mentioned techniques can be adapted for stereoscopic observation, adding the impression of three-dimensionality. Two identical cameras or a stereo adapter must be used. The following images were recorded in a T-shaped junction, with the full volume illuminated by laser light under cavitation conditions. Due to cavitation small bubbles of steam formed, mainly in horse-shoe-like vortices. The laser was chopped stroboscobically, with a 100Hz frequency, in order to estimate the velocity of the multiple exposed bubbles. The observation was from above (left image pair) and from the side (right image pair).

Die oben erwähnten Techniken können für eine stereoskopische Beobachtung adaptiert werden, wodurch der Eindruck einer Dreidimensionalität erweckt wird. Zwei idente Fotokameras oder ein Stereovorsatz muss hierzu benutzt werden. Die folgenden Aufnahmen wurden in einem T--förmigen Rohrabzweiger aufgenommen, wobei das gesamte Strömungsvolumen mit einem Laser ausgeleuchtet wurde. In der Strömung trat Kavitation auf, wobei sich Dampfbläschen bildeten, hauptsächlich in hufeisenartigen Wirbeln. Der Laserstrahl wurde mit etwa 100Hz stroboskopisch unterbrochen, um die Geschwindigkeiten der mehrfach abgebildeten Bläschen abschätzen zu können. Die Beobachtung erfolgte von oben (linkes Bildpaar), bzw. von der Seite (rechtes Bildpaar).

 
 
 
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Additional References - Zusätzliche Literatur
 


TEXTBOOKS in English:

G.S. Settles, Schlieren & Shadowgraph Techniques, 2nd edition, Springer, Wien Heidelberg New York (2006) ISBN: 3-540-66155-7

VORLESUNGSUNTERLAGE in Deutsch:

Woisetschläger, Energie- und Umwelttechnisches Mess- und Versuchswesen, Teil: Optische Messtechnik, Lasermesstechnik, Vorlesung: 307.015, Laborübung: 307.018, TU Graz, 2007

BEIBLATT zur Vorlesung: "Sieht man Feinstaub ?"

 

  Jakob Woisetschläger // TU Graz // Inffeldgasse 25A // A-8010 Graz // Phone: +43 (316) 873 7227 // Fax: +43 (316) 873 7239
eMail: jakob.woisetschlaeger@tugraz.at // TTM-Institute // Graz University of Technology © 2006