Probenmaterial
A.2 Messtechnik
an den Kugelschüttungen noch nicht zur Verfügung. Um die Kupferdichtungen mechanisch zu unterstützen und die laterale Dichtigkeit zu garantieren, wurden die Sika-B-Proben deshalb mitLoctite 5399an der Deckplatte desDtvverklebt. In Abb. A.4 (b) ist die Kühlgasseite derSika-B80-Probe abgebildet. Gut zu erkennen sind die Te zur Messung des internen Temperaturverlaufs. Das Bohrmuster entspricht den Angaben in Abb. 4.3.
Untersuchungen relativ klein und liegen annähernd in derselben Größenordnung wie die Verfahrgenauigkeit des Lineartisches. Die angewendeten Sondenkorrektu-ren sind allerdings gradientenbasiert und ergeben sich daher innerhalb derGs nicht gleichförmig. Trotz minimaler Änderung der Messhöhe beeinflusst dies die wandnahen Gradienten damit durchaus merklich.
F= 0.0 % F= 0.5 %
40 60 80 100 120
0 5 10 15
u/ m/s
y/mm
(a) Geschwindigkeit
F= 0.0 % F= 0.5 %
360 370
0 5 10 15
TTe
Tstat
T / K
y/mm
(b) Temperatur
Abbildung A.7: Strömungsprofile bei Re250k/T100C/x = 50 mm: ( ) gem. Ge-schwindigkeit; ( ) gem. Temperatur; ( ) stat. Temperatur
In Abb. A.7 sind die Profile der berechneten Geschwindigkeit u, gemessenen TemperaturTTeund der ebenfalls berechneten statischen TemperaturTstat ex-emplarisch dargestellt. Die Bestimmung von uund Tstat erfolgt iterativ durch die Gln. (3.4) und (3.5). Beim Fall ohne Kühlung ( ) wird der charakteristische Verlauf vonTstat in Abb. A.7 (b) gut erkennbar. Die hohen Geschwindigkeiten au-ßerhalb derGsführen im dargestellten Fall zu einer Differenz von≈5 K zwischen Tstat undTTe. Nähert man sich dem Kanalboden (y→0 mm), wirdusukzessive geringer und enthält damit weniger Energie. Trotz Temperaturprofil (TTe(y)) spiegelt sich dies in zur Wand hin steigendenTstat wider. Beim Fall mit Kühlung ( ) tritt dieser Effekt ebenfalls auf. Aufgrund des hier ausgeprägteren gemessenen Temperaturprofils wird er jedoch nicht ganz so deutlich.
Neben der Interpolation der beiden Sonden auf eine gemeinsame Abstandsbasis, muss bei der Temperaturmessung zusätzlich sichergestellt sein, dass das Te (Sonde der Temperaturmessung) nicht in Kontakt mit der Wand steht. Würde dies nicht berücksichtigt, tritt ein Wärmetransport zwischenTeund Kanalboden auf und die Messwerte würden verfälscht. Um dem Rechnung zu tragen, werden die Temperaturprofile erst ab dem zweiten Messwert dargestellt und ausgewertet.
Dadurch wird sichergestellt, dass mit der Temperatursonde ausschließlich die Gastemperatur gemessen wird. In Abb. A.7 sind die jeweilig ersten Messwerte als gefüllte Symbole zusätzlich eingezeichnet. Diese repräsentieren unter Umständen
eine Mischung aus Wand- und Strömungstemperatur und sind somit im Bezug auf ihre jeweiligey-Position nicht eindeutig auszuwerten.
Eine fotografische Aufnahme des in Kap. 3.2.5 beschriebene Sondenrechen zur Überprüfung der Symmetrie der Heißgasströmung imHgk ist in Abb. A.8 dargestellt. Die fünf einzelnen Sensoren (3 x Pitot, 2 xTe) werden über einen gemeinsamen Sondenschaft gasdicht aus dem Kanal geführt. Weitere Details zu dieser Ei-genbausonde sind bspw. in [06e] beschrieben.
Der Sondenrechen nimmt relativ viel Platz des durchströmtenHg-Querschnitts ein, was potentiell zu einer Messverfälschung führen kann. Daher wurde dieser lediglich zur Unter-suchung der Strömungssymmetrie eingesetzt.
12 mm
Pitot-sonden
Sonden-schaft
Thermo-elemente
Abbildung A.8: Sondenrechen
A.2.2 Infrarot-Thermografie
In Abb. A.9 sind die einzelnen Bearbeitungsschritte derIrt-Messdaten bis zurin situ kalibrierten Temperaturverteilung illustriert.
Abbildung A.9 (a) zeigt exemplarisch eine unbearbeiteteIrt-Aufnahme in Falsch-farben (Mittelung aus 30 Einzelaufnahmen). Die jeweiligen Farbschattierungen entsprechen den Messwerten derIr-Kamera (IRTSig) mit der Einheitdigital level (DL). Dieses synthetische Datenformat (DL) entspricht dem Ladungszustand des Sensors der Ir-Kamera und damit der Strahlungsintensitätsverteilung des beobachteten Objekts. Im Nachlauf der Probe sind vier Oberflächen-Teals dunk-lere Punkte zu erkennen. Ebenfalls wahrnehmbar sind im vorderen Bereich des Tecapeek-Rahmend geradlinige Reflexionen inx-Richtung.
In Abb. A.9 (b) ist einIrt-Bild der geometrischen Kalibrierschablone abgebildet.
Die Schablone ist ein, auf die Abmessungen der beobachteten Fläche angepasstes Papier, auf dem ein Schachbrettmuster aufgedruckt ist. Die Emissivitätsunter-schiede des schwarz/weiß-Drucks reichen aus, um das äquidistante Muster auch perIrt-Messung abzubilden1. Basierend auf diesen geometrischen Informationen kann über das BildbearbeitungsmodulVision Development ModulevonNational Instrumentsdie Verzerrung ermittelt und herausgerechnet werden (Rektifizie-rung). Basierend auf der Größe der Quadrate der Schablone erfolgt hier parallel die Umrechnung der Pixelwerte in Längeneinheiten.
1Auch die beiden gelb-eingefärbten Quadrate in Abb. A.9 (b) sind gleich groß (10 mm×10 mm)
IRT/DL450010700 TKal/K300370
(a) xz (b)xz
(c) x
z
AbbildungA.9:BearbeitungschrittederIrt-Daten(Re150k/T100C,F=0.25%):(a)unbearbeiteteIrt-Aufnahme,(b)geometrischeKalibrierschablone,(c)rektifizierteundinsitukalibrierteTemperaturverteilung
Eine nach dem beschriebenen Vorgehen rektifizierte und nach der in Kap. 3.2.4 eingeführten Methodein situkalibrierteIrt-Aufnahme ist in Abb. A.9 (c) exem-plarisch anhand des Falls Re150k/T100C undF = 0.25 % dargestellt.
A.2.3 Bearbeitete Schlierenbilder
Während der Experimente hat sich gezeigt, dass die Erwärmung desHgk zu natürlicher Konvektion auf der Außenseite der Messstrecke führt. Diese Gegeben-heit hat zur Folge, dass die Schlierenbilder von Dichtegradienten außerhalb des Kanals überlagert werden. Eine aussagekräftige Interpretation der Einzel- bzw.
Momentanaufnahmen der transpirationsgekühltenGsist daher leider nicht mög-lich. Um dennoch die Daten dieses optischen Messverfahrens zu nutzen, werden mehrere Einzelaufnahmen gemittelt und als Differenzbild zum Referenzfall ohne Kühlung ausgewertet. Etwaige Störeinflüsse wie bspw. die Schlierenbildung an der Kanalaußenseite werden dadurch minimiert. Zur weiteren Analyse stehen damit gemittelte Schlierendaten der gekühltenGszur Verfügung. Die einzelnen Bear-beitungsschritte sind in nachfolgender Auflistung und in Abb. A.10 beschrieben.
A Konvertierung der farbige Aufnahmen in Graustufenbilder und anschließende Mittlung der 30 Einzelbilder
B Ermittlung eines Maßstabs aus Referenzkörper mit bekannten Abmessungen (px→mm mitl= 50.44 mm undh= 20.02 mm)
C Differenzbild aus Messaufnahmen und Referenzbild ohne Kühlung D Einführung des Maßstabs zur Konvertierung der bearbeiteten Aufnahmen
von Pixel- zu Millimeter-Werten
E Beschneidung der Bilder auf den interessanten Bereich und Kartierung auf das eingeführteKos
F Anwendung der Graustufen-Auswertung nach Otsu [77] zur algorithmenba-sierten Erkennung des aktiv gekühlten Bereichs
Die Binärdarstellung der Schlierenbilder zeigt die Grenzen der automatischen Schwellwerterkennung auf. Direkt über der Probe (0 mm< x <50 mm) erfährt dieGsdie intensivste Kühlung. In der Folge treten hier große Dichtegradienten auf, die das Licht im Schlierenaufbau entsprechend ablenken. Das abgelenkte Licht wird von der Schlierenkante aufgefangen und fehlt in der eigentlichen Aufnahme.
Diese Bereiche finden sich in den Schlierenbildern als dunklere Graustufen wieder.
Das Verfahren nach Otsu [77] wertet die Intensitäten der Graustufen aus und liefert einen Schwellwert, der Bildinformation und Rauschen trennt. Basierend auf diesem Schwellwert ist die Binärdarstellung in Abb. A.10 abgeleitet. Durch den
Messaufnahmen Referenzaufnahmen Kalibrieraufnahmen
3000 1500 px0
0 2500 px 5000
3000 1500 px0
0 2500 px 5000
3000 1500 px0
0 2500 px 5000
20 mm 10
0
0 20 40 60 mm 80
20 mm 10
0
0 20 40 60 mm 80
h l
A
B
C
D
E
F
Abbildung A.10: Aufbereitung der Schlierenbilder exemplarisch gezeigt für Sam-pleB180 beiF= 1.0 % und Re250K/T100C
direkten Vergleich mit dem zugehörigen Schlierenbild lässt sich erkennen, dass Otsu’s Algorithmus den gekühlten Bereich direkt über der Probe gut wiedergibt aber im Nachlauf keine klare Trennung zwischen Information und Rauschen vor-nehmen kann. Die Bildauswertungx >50 mm, im Bereich kleinerer Temperatur-und damit Dichtegradienten, muss somit in einer separaten Betrachtung erfolgen.