Ablauf der Messung

Vor Beginn der Messung muss die Justierung der optischen Komponenten des LDAs durchgef¨uhrt werden. Bei dieser Einstellung soll man darauf achten, dass die parallelen Laserstrahlen relativ zur Splitterplattenoberfl¨ache exakt einen Winkel von 0^◦ (f¨ur die

2.3. Die Messdatenerfassung 17 u-Geschwindigkeitskomponente) bzw. 90^◦ (f¨ur diev-Komponente) erhalten. Die Fokus-sieroptik des Photomultipliers wird ebenfalls vor jeder Messung sorgf¨altig justiert, da die Datenrate davon abh¨angt.

Das gesamte Wasser, das sich in dem 350l fassenden Kunststofftank befindet, wird vor dem Betrieb in einem Vakumbeh¨alter entgast, so dass sich w¨ahrend der Messung keine Luftblasen an den Kanalw¨anden oder den Sieben absetzen. Dann wird das Wasser mit einer Hilfspumpe von unten in den Kanal gedr¨uckt und dabei darauf geachtet, dass keine Luftblasen unter den Sieben entstehen. Die Steiggeschwindigkeit kann mit der Pumpe sehr gut eingestellt werden. Ist das Wasser auf das Niveau des Beruhigungs-beckens gestiegen, wird die eigentliche Pumpe angestellt und dann der Verschluss im Kunststofftank ge¨offnet. Anschließend wird der Schieber eingestellt, bis die gew¨unschte Str¨omungsgeschwindigkeit erreicht ist.

W¨ahrend des Betriebs wird die Drehzahl der Pumpe so geregelt, dass m¨oglichst wenig Wasser in die ¨Uberlaufrohre fließt, da das ¨uber ¨Uberlaufrohre direkt in den Kunst-stofftank zur¨uckgeleitete Wasser sonst Vibrationen dieser Rohre hervorruft, die sich auf den Kanal ¨ubertragen k¨onnten. Außerdem wird dadurch die kinetische Energie von Querstr¨omungen im Beruhigungsbecken so gering wie m¨oglich gehalten.

Bevor die eigentliche Messung startet, m¨ussen einzelne Profilmessungen von ¯u in der Grenzeschicht stromauf der Plattenhinterkante in unmittelbarer N¨ahe der Platte als Funktion von y durchgef¨uhrt werden, da diese Messungen zu einer sehr genauen Ei-chung des Nullpunktes der y-Achse, d.h. der Plattenoberfl¨ache, ausgenutzt werden k¨onnen.

Das in Abschnitt 2.3.2 beschriebene Verfahren ist inklusive Ansteuerung des Verfahrti-sches und der Anregungsvorrichtungen in einem PC-Computerprogramm zusammen-gefasst. Zuerst wird eine Datei mit dem Messgitter erstellt. Sobald die Messung bei dem erstem Punkt des Messgitters startet, wird nach 180 Abtastwerten ¨uberpr¨uft, ob mindestens 36 verschiedene Phasenwerte besetzt sind. Ist das nicht der Fall, wird die Anzahl der Samples um den Faktor 1.5 erh¨oht und weiter gemessen. Anschließend werden 5 Frequenzenanteile bzw. der Effektivwert der turbulenten Schwankungen des Signals nach dem oben beschriebenen Verfahren berechnet und auf den Bildschirm gezeigt.

Nach mindestens 10 solcher Realisationen werden die Mittelwerte und Varianzen der 5 Spektralanteile berechnet. Ist der relative Fehler in der Spektralkomponente, die zur Anregungsfrequenz geh¨ort, kleiner als 10% oder ist das Aufl¨osungsverm¨ogen des LDAs erreicht, wird die Messung bei dem Messgitter-Punkt beendet, und die Ergeb-nisse werden in einer Datei abgespeichert. Andernfalls werden weitere Realisationen durchgef¨uhrt. Anschließend wird der n¨achste Messpunkt des Gitters angefahren. Die Messung l¨auft nach Start des Programms vollautomatisch ab. Eventuelle Messfehler oder Unregelm¨aßigkeiten werden in einem Messprotokoll erfasst.

Die Vermessung einer Komponente des Geschwindigkeitsfeldes f¨ur eine Anregungsart dauert je nach Datenrate am Counter etwa 20-24 Stunden f¨ur etwa 600 Messpunkte. Die vollst¨andige Vermessung der Felder f¨ur eine Frequenz, d. h. u- und v-Komponente bei gleichzeitiger Anregung durch den Druckgradienten und die Schwingkante sowieu- und v-Komponente bei Anregung nur durch den Druckgradiente bzw. nur die Schwingkante,

18 Kapitel 2. Der experimentelle Aufbau und das Messverfahren dauert somit etwa 6 Tage. Die Verschiebung des Messvolumens durch die Schrittmo-toren stellt dabei einen wesentlichen Zeitfaktor dar.

Kapitel 3

Die Gleichstr¨ omung

In diesem Kapitel werden Messergebnisse f¨ur den station¨aren Anteil der Kanalstr¨omung dargestellt, der sich aus der Gleichkomponente des Fourierspektrums bei der phasen-richtigen Mittelung (siehe Kapitel 2) ergibt. Die Gleichstr¨omung kann daher gleichzeitig mit den Messdaten der Wechselgeschwindigkeit erfasst werden. Nach einem Umbau des Kanals durch Enghardt [9] ist die Str¨omung des Kanals außerhalb der Seitenwand-grenzschichten weitgehend zweidimensional.

3.1 Die u-Komponente ¯

Abbildung 3.1 zeigt die ¯u-Komponente als Funktion von x und y. Der Betrachter blickt in die Hauptstr¨omungsrichtung, also in x-Richtung. Deutlich zu erkennen ist der ¨Ubergang vom Grenzschichtprofil zum tanh-¨ahnlichen Profil der freien Scher-schicht sowie deren allm¨ahliche Aufweitung. Man sieht, dass die GrenzScher-schichtdicke im Hauptstr¨omungsbereich an der Hinterkante ca. 10 mm erreicht hat, nachdem das Wasser entlang der ca. 900 mm langen Splitterplatte gestr¨omt ist. Dort steigt die Str¨omungsgeschwindigkeit also von Null an der Plattenoberfl¨ache auf einen im Au-ßenbereich der Grenzschicht konstanten Wert von U1 ≈ 15 cm/s. Bemerkenswert ist die zeitliche Konstanz von U1, wenn mann bedenkt, dass zwischen der Messung des ersten Punktes bei x = 30 mm und des letzten bei x = −5 mm etwa zw¨olf Stunden lagen.

Die Plattengrenzschichten der beiden Seiten der Platte treffen an der Hinterkante auf-einander und gehen in eine freie Scherschicht ¨uber. Eine Nachlaufdelle entsteht durch diese Zusammenf¨uhrung der beiden Grenzschichten. Sie f¨ullt sich aufgrund der dicken Grenzschicht der Nebenstr¨omungsseite mit wachsendem Abstand von der Plattenhin-terkante nur langsam auf, wobei das Geschwindigkeitsminimum zu negativeny-Werten wandert. Schließlich bildet sich ein weitgehend symmetrisches Scherschichtprofil aus, das durch eine tanh-Funktion gen¨ahert werden kann. Ein Profil mit einem Wende-punkt ist besonders empfindlich gegen St¨orungen, so dass sich dort durch instation¨are Anregungen der Str¨omung eine Kelvin-Helmholtz-Instabilit¨at ausbilden kann.

20 Kapitel 3. Die Gleichstr¨omung

x[mm]

y[mm]

Splitterplatte

u[mm/s]

-5 0 5 10 15 20 25 30 -10 -15

0 -5 10 5

150 50 100 150 200

Abb.3.1: Die Gleichgeschwindigkeitskomponente ¯uin der Plattengrenzschicht und der Ubergang in eine Scherschicht stromab der Hinterkante der Splitterplatte¨