Labor Experimentelle Strömungsmechanik

Im Labor Experimentelle Strömungsmechanik wird das Verhalten von Fluiden unter unterschiedlichen Bedingungen praktisch untersucht. Dazu zählen beispielsweise der Übergang von einer laminarer zu einer turbulenten Strömung oder das Verhalten der Strömung beim Umströmen verschiedener Objekte.

Die Versuchsstände des Labors wurden selbstständig, teilweise nach dem Vorbild etablierter Experimente, entwickelt. Hierbei konstruieren Studierende im Rahmen verschiedener Projekt- oder Abschlussarbeiten neue Versuchsstände oder entwickeln bereits bestehende weiter und optimieren diese. Dies ermöglicht den Studierenden ihr theoretisches Wissen aus den Vorlesungen praktisch anzuwenden und zu vertiefen.

Um die Experimente auch in Vorlesungen einzubringen oder bei Veranstaltungen wie dem Tag der offenen Tür vorzuführen, wurden sie auf mobilen Laborwagen montiert.

Das Labor wird neben Abschlussarbeiten und Forschung im Rahmen folgender Lehrveranstaltungen genutzt:

• Physik (PH)
• Strömungsmechanik (SM)
• Vertiefungsprojekt (VPR)
• Strömungsmesstechnik (SMT)

Kanal

Auf der Basis eines 1904 von Ludwig Prandtl entwickelten Wasserkanals, wurde der Strömungskanal des Labors konstruiert und weiterentwickelt. Hierbei wird das Strömungsverhalten von Wasser mit unterschiedlichen Probekörpern untersucht.

Das Wasser fließt im Kreislauf durch den Versuchsstand. Aus einem Wassertank wird das Wasser zunächst mithilfe einer Pumpe durch ein Venturi-Rohr, zur Messung des Volumenstroms gepumpt. Von dort aus wird fließt das Wasser weiter zum Einlass des Kanals.

Die Strömung ist an diesem Punkt noch stark verwirbelt Um diese Störeinflüsse zu minimieren, fließt das Wasser zunächst durch einen Strömungsgleichrichter, bestehend aus einer Lochplatte und mehreren gestapelten Strohhalmen, welche den Querschnitt des Kanals (10 cm · 20 cm) vollständig ausfüllen.

Die Strömung fließt nun den etwa 2 m langen Kanal entlang, wo das zu untersuchende Objekt umströmt wird. Am Ende des Kanals befindet sich eine geregelte Wehrklappe, mit der der Pegelstand angepasst werden kann. Dieser wird mit einem Ultraschallsensor erfasst. Hinter der Wehrklappe fließt das Wasser durch einen Abfluss zurück in den Wassertank.

Der gesamte Kanal ist über einen Linearantrieb im Winkel verstellbar, sodass das Strömungsverhalten bei unterschiedlichen Neigungen untersucht werden kann.

Mit dem angeschlossenen Computer wird der Kanal, mit einer eigens entwickelten Software, gesteuert. Die Benutzeroberfläche zur Bedienung des Kanals zusammen mit weiteren Informationen zum Betriebspunkt, wie zum Beispiel dem Volumenstrom, werden auf einem schwenkbaren Monitor am Kanal angezeigt.

In der Strömung können Objekte beliebiger Form platziert und untersucht werden, aktuell wird hierfür ein Zylinder, mit einem Durchmesser von 60 mm, verwendet. Dieser kann entweder statisch auf dem Boden des Kanals platziert oder schwingend in der Strömung aufgehängt werden. Mit der Kraftmesseinheit, an welcher der Prüfkörper angebracht ist, können die auf den Körper wirkenden Kräfte mithilfe von Wägezellen in Richtung der Hauptströmung und quer dazu gemessen werden.

Durch verwenden einer Lichtquelle wird die Strömung, durch die Lichtbrechungen in der Wirbelstraße hinter dem Objekt, sichtbar gemacht. Diese Methode dient lediglich zur Visualisierung.

Es ist geplant, die Strömung mit dem Verfahren Particle Image Velocimetry (PIV) zu untersuchen.

Lid-Driven-Cavity

Das Lid Driven Cavity Experiment dient zur Untersuchung des Verhaltens von Fluiden in einem geschlossenem Hohlraum (Cavity) unter definierten Randbedingungen. Es dient als Modell für physikalische Phänomene und findet beispielsweise Anwendung beim Verständnis von Strömungsvorgängen in einer Zahnradpumpe.

Das Experiment besteht aus einem mit Flüssigkeit gefüllten Aquarium, in dem eine herausnehmbare Zelle (Cavity) steht. Die Zelle ist würfelförmig, mit einer Kantenlänge von 20 cm. Fünf der Wände sind statisch, während sich die obere (Lid) seitlich über die Zelle bewegt. Dies wird durch einen umlaufenden, von einem Schrittmotor angetriebenen, Riemen realisiert.

Durch einen Lichtspalt in den beiden seitlichen Wänden der Zelle, fällt Licht in das Innere der Cavity, wodurch sich eine Lichtschnittebene ausbildet.

Mithilfe einer eigenen Software ist ein stufenloses Einstellen der Reynoldszahl zum Regulieren der Riemengeschwindigkeit möglich. Über Schalter und einem Drehregler können die gewünschten Parameter angepasst werden. Die aktuellen Werte werden auf einem Display angezeigt. 

Die Riemenbewegung setzt die angrenzende Fluidschicht in Bewegung, wodurch sich eine charakteristische Wirbelströmung innerhalb der Zelle ausbildet. Zur Visualisierung der Strömung werden dem Fluid Polyamid-Partikel beigemischt. Dadurch wird die Analyse des Strömungsfeldes mithilfe des optischen Messverfahrens Particle Image Velocimetry (PIV) ermöglicht.

Hierbei werden zwei zeitlich versetzte Momentaufnahmen der Strömung verglichen, um aus der Verschiebung der Partikel das Geschwindigkeitsfeld zu berechnen. Dies liefert wertvolle Erkenntnisse über Strömungsprofile und Turbulenz.

Laminare Düse

Als laminare Strömung bezeichnet man eine Bewegung von Fluiden, bei der die Fluidschichten glatt übereinander gleiten, ohne sich zu vermischen. Ein praktisches Beispiel für solch eine Strömung ist die Laminare Düse. Hierbei wird in einem Wasserkreislauf, das aus einer Pumpe austretende turbulente Wasser mithilfe von konstruktiven Maßnahmen in eine laminare Strömung überführt.

Beim Eintritt in die Düse erweitert sich der Querschnitt um den Faktor 100. Hierbei durchströmt das Wasser zunächst einen Siebkegel, gefolgt von einer Schicht aus vier Schwämmen und einem Bündel von Strohhalmen. Diese füllen die gesamte Querschnittfläche der Düse. Die Anordnung der Strohhalme sorgt dafür, dass sich die Stromlinien parallel ausrichten. Entlang der Symmetrieachse der Düse ist ein Stab aus Acrylglas eingebracht, welcher außen von einer LED-Lampe beleuchtet wird. Der Stab ist so positioniert, dass das austretende Licht aufgrund von Totalreflexion dem Verlauf des Wasserstrahls folgt. Ein kreisrunder Ausschnitt, von 20 mm Durchmesser, im Deckel der Düse sorgt durch eine scharfe Kante dafür, dass der Strahl glatt und ohne Störeinflüsse die Düse verlässt.

Unter dem Deckel, ist ein Schließmechanismus verbaut. Ein 3D-gedruckter Schlitten wird über zwei Schienen durch einen elektromagnetisch-linearen-Antrieb vor die Öffnung bewegt. Dies ermöglicht das Unterbrechen des Wasserstrahls zu einem beliebigen Zeitpunkt, ohne den Betrieb der Düse zu unterbrechen.

Der laminare Strahl trifft in einen Auffangbehälter, wo das Wasser von einer Hochdruck Zisternenpumpe (3,5 bar, 1,1 kW, 15000 l/h) zur Düse zurück gepumpt wird.

Die Düse ist auf einer Konstruktion aus Aluminiumprofilen befestigt und kann durch einen Spindelmechanismus mittels einer Kurbel stufenlos im Winkel eingestellt werden.

Kartesischer Taucher

In einer mit Wasser gefüllten Acrylglasröhre befindet sich ein schwimmender Körper, in diesem Fall ein Modell eines Seepferdchens. Dieses besitzt im Inneren einen mit Luft gefüllten Hohlraum, wodurch es im Ruhezustand oben in der Wassersäule schwimmt. Am unteren Ende der Röhre ist ein beweglicher Stempel angebracht, der über zwei Knöpfe mechanisch in die Röhre hinein- oder herausgefahren werden kann.

Wird der Stempel in die Röhre bewegt, übt er Druck auf die Flüssigkeitssäule aus und erhöht dadurch den Gesamtdruck des Systems. Dieser Druckanstieg überträgt sich gleichmäßig auf die Flüssigkeit und führt zur Kompression der Luftblase im Inneren des Seepferdchens. Durch das reduzierte Luftvolumen übersteigt die Gewichtskraft des Seepferdchens die Auftriebskraft und es beginnt zu sinken.

Wird der Stempel wieder aus der Röhre gefahren, sinkt der Systemdruck. Die Luft im Inneren des Seepferdchens dehnt sich wieder aus, die Auftriebskraft übersteigt die Gewichtskraft des Seepferdchens und es steigt auf.