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By Lutz Dieterle

Dieses Buch befaßt sich mit der Entwicklung eines abbildenden Verfahrens zur Messung lokaler Geschwindigkeitsverteilungen in strömenden Fluiden. Ziel ist die Untersuchung mikroskopischer Strömungsstrukturen in dünnen, turbulenten Grenzschichten. Das Meßverfahren beruht auf dem Prinzip der Particle-Image-Velocimetry (PIV). Unter Verwendung eines gepulsten Hochleistungslasersystems und eines hochauflösenden Objektivs lassen sich 0,2 µm kleine, im Fluid dispergierte Tracer-Partikeln auf zwei CCD-Kameras mit identischem Gesichtsfeld je einfach oder doppelt abbilden. Die Bildauswertung erfolgt mittels bekannter digitaler Korrelationsmethoden. Das Meßsystem löst die zu untersuchende Strömung in einem Gesichtsfeld von etwa 1 mm2 lokal bis auf forty µm auf und ermöglicht die Messung maximaler Geschwindigkeiten in der Größenordnung 102 m/s. Im resultierenden Vektorplot der Geschwindigkeit vereinzelt auftretende fehlerbehaftete Vektoren werden mit einer neuen Methode der automatischen Fehlererkennung detektiert und korrigiert. Die Methode beruht auf einer mathematischen Approximation des gemessenen Vektorfeldes und einem Vergleich der berechneten Ausgleichsfunktion mit den Meßwerten. Achtung!!! Im textual content zweimal "Hoch zwei"!!!

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Die Intensitätsverteilung der Partikelabbildung entspricht annähernd derjenigen des von der Apertur des Spiegelmikroskop-Objektivs herrührenden Halos. Es sei darauf hingewiesen, daß sich auch im Falle einer 1 ~m großen Partikel die geometrische Abbildung nicht auf den hier berechneten Wert des nominellen Bilddurchmesser xe auswirkt. Im interessierenden Partikelgrößenbereich von etwa 0,1 ~m bis 1 ~m sollten also bei konstanter Lichtwellenlänge alle Partikeln annähernd den gleichen, vom Arbeitsabstand des Spiegelmikroskop-Objektivs abhängigen Abbildungsdurchmesser haben.

6). Jll Laser. - Eine Lichtquelle, die die Anforderungen in puncto Energieflächendichte I p . tp und Pulsdauer tp zumindest annähernd erfüllt, ist der doppelt gepulste und frequenzverdoppelte Nd:YAG-Laser, Modell 501-DNS 725, der Fa. industries, Lisses / Evry Cedex (Frankreich) im Vertrieb der Fa. SOLITON Laser- und Meßtechnik GmbH, Gilching. Der Festkörper-Laser hat die folgenden technischen Daten: :0;25 Hz Repetitionsrate: Wellenlänge A(frequenzverdoppelt): 532 nm Strahldurchmesser: 7mm Strahldivergenz: :0;0,5 mrad Strahlrichtungsstabilität "': Strahlprofil: < 100 Ilrad Gauß-ähnlich Pulsdauer tp: 6 ns - 8 ns ± 1 ns Jitter Einzelpulsenergie Wp bei A = 532 nm: ~ Doppelpuls-Separationszeit ~tD: 30 Ils -200lls ± 11ls Jitter 110 mJ Die maximale, aufbeide Pulse gleichverteilte Energie eines Doppelpulses ist kleiner als die eines Einzelpulses und nimmt zu den Bereichsgrenzen von ~tD hin ab.

3. • Beleuchtung der Partikeln mit hohen Lichtintensitäten, da die Streulichtintensität unter dem Streuwinkel er =90° insbesondere für Werte des Mie-Parameters a = rexs/'A < 1 stark abnimmt [Ker69]. • Berücksichtigung des Strahlungsdrucks und der Photophorese. Kleine Partikeln erhalten bei Einwirken hoher Lichtintensitäten einen zusätzlichen mechanischen Impuls. Dieses Phänomen stellt eine Einschränkung der den optischen Meßverfahren zugesprochenen "Berührungslosigkeit" dar, siehe Kapitel 1. 2.

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