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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 15 / Maschinenbau  → Institut für Thermische Energietechnik (ITE)  → Fachgebiet Strömungsmaschinen  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2011111739741

Titel: Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation
Autor(en): Badreddine, Rana
Schlagworte (SWD): VerdichterStrömungsmesstechnikParticle-Image-VelocimetryHeißdrahtverfahrenSchnelle Fourier-Transformation
Klassifikation (DDC): 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 17-Nov-2011
Zusammenfassung: 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.In this work the application of the Particle Image Velocimetry (PIV) for the analysis of self-excited flow phenomena and the necessary evaluation procedure is described. In order to investigate such mechanisms, which occur in turbo compressors as rotating instabilities, data is used, which were obtained by means of experimental investigations at an annular compressor guide vane. The rotating instabilities are time-dependent flow phenomena, which can occur by high aerodynamic load in compressor cascades. Due to missing phase information this unsteady flow cannot be collected with conventional PIV systems. The Kármán Vortex Street and the rotating instabilities both represent self-excited flow procedures. The similarity is applied in order to prove the functionality of the procedure by means of the Kármán Vortex Street. The vortex migration, visualized by PIV, requires a special procedure, since an external signal is not available in order to determine the phase angle of the self-excited flow. The method is based on the coupling of the PIV technique with the hot wire anemometry. The simultaneous measuring by means of a high time-resolved hot wire measurement enables to allocate a phase angle to the moments of the PIV shots. For this, the hot wire signal is analyzed by a FFT procedure, in order to group the PIV shots corresponding their phase angles. The collected shots are therefore being marked on the time axis of the hot wire measurements. A methodical analysis of the hot wire signal around the PIV moments provides data for the definition of the fundamental frequency and allows to allocate a phase angle to the marked PIV position. The velocity components, gained out of the PIV shots of one class are averaged afterwards. The two-dimensional time-dependent velocity field, in which the vortex migration of the Kármán Vortex Street becomes visible, results from the pictures of each class. Based on these investigations, time signals from measurements in a compressor cascade are analyzed. Here, it becomes evident, that additional filter functions are necessary. In conclusion, it becomes clear, that the transmission of the method, developed with the Kármán Vortex Street, succeeds only partly and further research work is essential.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2011111739741
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