Schlieren

SCHLIEREN

Schlieren-Imaging wird zur Visualisierung von Druck-, Temperatur- und Stoßwellenänderungen in einem transparenten Medium wie Luft verwendet. In Anwendungen wie Windkanälen und Druckkammern liefert Schlieren Imaging klare und detaillierte Informationen über Druck- und Dichteänderungen.

Die Schlieren-Bildgebung wurde um 1800 entwickelt, um Fehler oder "Schlieren" in Glas zu erkennen. Heute wird die Technik häufig zur Visualisierung von Stoßwellen in Windkanälen und Temperaturgradienten um Objekte herum eingesetzt. Die Schlieren-Bildgebung beruht auf dem Brechungsindex eines transparenten Mediums, d. h. der Fähigkeit, Licht zu "beugen", der sich mit der Dichte ändert, um ein Bild zu erzeugen. Bei einem einfachen Schlierensystem wird ein paralleler Lichtstrahl durch das Objekt geleitet und mit Linsen oder sphärischen Spiegeln auf eine Messerkante fokussiert. Eine Änderung der Dichte in einem Teil des Motivs bewirkt, dass dieser Teil des Lichtstrahls gebrochen wird und über oder unter die Messerkante fällt, wodurch hellere oder dunklere Bereiche im Bild entstehen. Manchmal werden Farbfilter anstelle einer Messerkante verwendet, um ein Bild mit verschiedenen Farben zu erzeugen, die unterschiedliche Dichtebereiche kennzeichnen.

Optischer Aufbau - Die Beleuchtung für Schlierenaufnahmen muss von einer Punktlichtquelle erzeugt werden. Für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen sollten die Intensität der Lichtquelle und die Empfindlichkeit des Imagers eine Aufnahme mit der gewünschten Bildrate ermöglichen. Mit einem Paar Linsen oder Spiegeln wird ein paralleler Lichtstrahl erzeugt. Der Durchmesser der Linsen oder Spiegel bestimmt die Größe des Arbeitsbereichs bzw. des Messvolumens, in dem das Bild erzeugt wird. Eine Messerkante oder ein speziell entwickelter Farbfilter wird auf einer Vernier-Einstellung in der Nähe der Bildebene angebracht. Die obige schematische Darstellung zeigt den Lichtweg und die Position des Kamerasensors.

Auf optischer Strömung basierendes, hintergrundorientiertes Schlierenverfahren zur Messung einer laserinduzierten Unterwasserstoßwelle

Für die Messung des Druckfeldes einer laserinduzierten Unterwasser-Stoßwelle wird das hintergrundorientierte Schlierenverfahren (BOS) mit der physikbasierten optischen Flussmethode (OF-BOS) entwickelt. Im Vergleich zu BOS mit der konventionellen Kreuzkorrelationsmethode, die auch für die Particle Image Velocimetry (hier PIV-BOS genannt) verwendet wird, kann mit OF-BOS das durch einen kleinen Dichtegradienten im Wasser erzeugte Verschiebungsfeld mit einer räumlichen Auflösung von einem Vektor pro Pixel ermittelt werden. Die entsprechenden Dichte- und Druckfelder können weiter extrahiert werden. Es wird insbesondere gezeigt, dass die ausreichend hohe räumliche Auflösung des extrahierten Verdrängungsvektorfeldes in der tomographischen Rekonstruktion erforderlich ist, um das Druckfeld der kugelförmigen Unterwasserstoßwelle korrekt abzuleiten. Die Leistungsfähigkeit der OF-BOS-Methode wird anhand von synchronisierten Hydrophonmessungen kritisch bewertet. Besonderer Wert wird auf den direkten Vergleich zwischen der OF-BOS- und der PIV-BOS-Methode gelegt.

Visualisierung der aerodynamischen Wirbel durch hintergrundorientiertes Schlieren

Die Erforschung von toroidalen Wirbeln (Wirbelringen) stößt derzeit auf wachsendes Interesse. Ihr Vorhandensein zeigt sich in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft und Technik: die Wirkung eines Wirbelrings beim Sinken eines Hubschraubers, Wirbelringe in der Herzkammer, die innere Struktur von Kugelblitzen und mehr. Hintergrundorientiertes Schlieren (BOS) - eine der relativ jungen Methoden zur Diagnose optischer Inhomogenitäten, die auf der Verwendung von Referenz- und verzerrten Bildern eines Hintergrundmusters basiert. Diese Methode wird häufig in der Aerodynamik, Hydrodynamik und Wärmeübertragung eingesetzt. Die Hauptvorteile dieser Methode sind die Einfachheit der Umsetzung und ein nahezu unbegrenztes Sichtfeld. In dieser Arbeit wurde im Labor die Anwendbarkeit der Methode des Hintergrundorientierten Schlierens für aerodynamische Probleme getestet. Zur Überprüfung der Ergebnisse wurde die simultane Registrierung mittels Scherinterferometer verwendet. Die Sichtfelder der Kamera für das Hintergrundorientierte Schlieren und des Interferometers waren nahe beieinander und in einem kleinen Winkel zueinander angeordnet. Der Toroidalwirbel wurde direkt am Ausgang des Generators aufgenommen. Das Hintergrundmuster für das hintergrundorientierte Schlieren und der Interferometerspiegel befanden sich in derselben Ebene. Um einen besseren Kontrast zu erzielen, wurde das Hintergrundmuster mit einem LED-Strahler beleuchtet.

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Optische Ganzfeldmessungen der Schallwellenausbreitung von Hochgeschwindigkeitsauspuffdüsen

Ziel dieser Arbeit ist es, das Feld der Lärmmessungstechniken zu erweitern, um die grundlegenden Prinzipien der Lärmerzeugung besser zu verstehen. Dies wird in dieser Studie durch die Demonstration der Möglichkeiten der Ultrahochgeschwindigkeits-Regenbogen-Schlieren-Deflektometrie (UHS-RSD) zur Visualisierung und Quantifizierung von Schallwellen, die sich von einem Überschall-Kaltluftstrahl ausbreiten, in Echtzeit erreicht. Die grundlegende optische Theorie besagt, dass Lichtstrahlen, die ein transparentes Medium mit unterschiedlicher Dichte durchqueren, aufgrund der Brechung eine Abweichung von ihrem ursprünglichen Weg erfahren. Daher wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, um parallele weiße Lichtstrahlen durch einen Überschall-Luftstrahl zu leiten. Die Variation des Dichtefeldes, die im Strahlstrom entsteht, führt dazu, dass die Lichtstrahlen von ihrem ursprünglichen Weg abweichen. Das UHS-RSD-Verfahren nutzt die vorgenannte Technik und ermöglicht die Abbildung des Lichtablenkungswinkels, eines Maßes für die Abweichung eines Lichtstrahls von seinem ursprünglichen Weg aufgrund von Brechung. Die Abbildung des Ablenkungswinkels wird durch die Veränderung der Farbe (Farbton) zwischen einem Bild ohne und einem Bild mit Testmedium realisiert.

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