Visualisierung von zeitgleich erfassten dynamischen Drucksignalen und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mittels DIAdem CLIP

Author(s):
Dr.-Ing. Jürgen Müller - Trisonischer Windkanal München, Institut für Luftfahrttechnik, Universität der Bundeswehr München
Dr.-Ing. Rainer Mümmler - Trisonischer Windkanal München, Institut für Luftfahrttechnik, Universität der Bundeswehr München

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
DIAdem

The Challenge:
Untersuchung des dynamischen Verhaltens einer Stoß/Grenzschicht-Interaktion, um u. a das Design von Lufteinläufen oder Klappen an zukünftigen Flugzeugmustern zu optimieren

The Solution:
Hierzu werden an einer Anlaufstrecke/Rampe-Konfiguration Experimente im supersonischen Geschwindigkeitsbereich durchgeführt. Die Konfiguration ist mit dynamischen Druckaufnehmern der Firma Kulite bestückt, die zeitgleich erfasst werden. Zusätzlich wurde das Strömungsfeld mit einem schlierenoptischen System untersucht, das Dichtegradienten in der Strömung erfasst.

Einleitung
Am TWM wird im Rahmen von Grundlagenforschungsvorhaben das dynamische Verhalten einer Stoß/Grenzschicht-Interaktion untersucht, um u. a das Design von Lufteinläufen oder Klappen an zukünftigen Flugzeugmustern zu optimieren. Hierzu werden an einer Anlaufstrecke/Rampe-Konfiguration Experimente im supersonischen Geschwindigkeitsbereich durchgeführt. Die Konfiguration ist mit dynamischen Druckaufnehmern der Firma Kulite bestückt, die zeitgleich erfasst werden. Zusätzlich wurde das Strömungsfeld mit einem schlierenoptischen System untersucht, welches Dichtegradienten in der Strömung erfasst. Da die Dynamik der Stoß/Grenzschicht-Interaktion aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit mit herkömmlichen Kamerasystemen und deren begrenzten Bildwiederholraten nicht detektierbar ist, wurde eine Hochgeschwindigkeitsdigitalkamera eingesetzt, die es ermöglicht, Sequenzen mit bis zu 62 500 Bildern pro Sekunde aufzunehmen. Die Aufgabenstellung bestand nun darin, eine Korrelation zwischen dynamischen Drucksignalen und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen herzustellen.

Ausführliche Beschreibung
Im Jahre 2000 wurden die gesamten elektronischen Komponenten des Trisonischen Windkanals München und die Steuer-, Regel-, und Messdatenerfassungssoftware mittels PXI-Komponenten und LabVIEW RT modernisiert. Alle Aufgaben zur Steuerung /Regelung und Erfassung der Messdaten sind auf drei PXI-8156B verteilt, ein handelsüblicher PC ("Visualisierungsrechner") fungiert als Datenschnittstelle zur Eingabe der Versuchskenngrößen und zur Visualisierung der Windkanalparameter. Im folgenden wird die dynamische Datenerfassung erklärt.
Hardware dynamische DAQ: Die Hardwarekomponenten zur parallelen und sequentiellen Messwerterfassung von Kulite-Druckaufnehmern sind zusammen in einem PXI-Chassis integriert. Folgende Komponenten werden verwendet.

• PXI-1000B: 8-Slot-Chassis
• PXI-8156B: PXI-Embedded-Controller (AMD K-6, 333MHz, 512MB)
• Vier PXI-6070E: Multifunction I/O-Karten in Verbindung mit 4 SCXI-1140 Sample and Hold Karten für die gleichzeitige Erfassung von 32 Kulite-Signalen
• Drei PXI-6071E: Multifunction I/O-Karten zur sequentiellen Erfassung von je 24 Kulite-Signalen

Mit der parallelen Erfassung von 32 dynamischen Druckwerten (max. Scanrate 156 kS/s) ist man in der Lage, zeitliche Korrelationen zwischen einzelnen Druckaufnehmern durchzuführen, ohne dass aufwendiges numerisches Nachbereiten der Zeitskala notwendig wird. Spielen zeitliche Zusammenhänge eher eine untergeordnete Rolle, kann die Datenerfassung sequentiell für bis zu 76 Kulites erfolgen. Bild 1 zeigt den Aufbau des PXI-Systems Dynamische DAQ.

Für die beschriebene Anwendung wird die parallele Erfassung der Kulite-Sensoren verwendet.

Software dynamische DAQ: Das DAQ-Programm ist in LabVIEW 5.1 geschrieben und läuft, um das Steuer/Regelprogramm zu entlasten, als unabhängiges Programmpaket auf einem PXI8156B Embedded-Controller. Es kann sowohl vom Visualisierungsrechner oder direkt gestartet werden. Auf der Oberfläche können Versuchsparameter wie Abtastrate, Messzeit und Anzahl der verwendeten Sensoren. Die Messdaten werden als Ergebnisfile (*.dat) gespeichert.
Die Drucksensoren müssen vor jedem Versuch kalibriert werden. Dies erfolgt über ein Zusammenspiel von den jeweiligen DAQ-Rechnern und dem Steuerrechner, der mittels GPIB-Bus und einem Hochpräzisionsdruckgeber RUSKA 7215 die Kalibrierdrücke aufbringt.

High Speed Schlieren Imaging: Zur Sichtbarmachung von Dichtegradienten ist als nonintrusive Messtechnik die Schlierenoptik ein weit verbreitetes Verfahren. Am Trisonischen Windkanal München wird eine Vierfarb-Schlierenoptik eingesetzt. Je nach Anwendungsfall stehen am TWM entsprechende optische Aufzeichnungssysteme zur Verfügung. Da das dynamische Verhalten der Stoß/Grenzschichtinteraktion untersucht werden sollte, wird zur Aufzeichnung der Schlierenbilder die Hochgeschwindigkeits-Digitalkamera PHANTOM V5, der Firma Photo-Sonics verwendet. Ein fortschrittlicher CSR-CMOS Sensor erlaubt eine Bildaufnahmegeschwindigkeit von bis zu 1000 Bildern pro Sekunde bei einer maximalen Auflösung von 1024 x 1024 Pixeln. Eine niedrigere Auflösung erlaubt eine höhere Aufnahmegeschwindigkeit. Mit Verringerung der Auflösung sind damit bis zu 62 500 Bilder pro Sekunde möglich. Weiterhin können u. a. Belichtungszeit, Aufnahmedauer und Ausgabeformat gewählt werden.

Kombination dynamischer Messtechniken: Im Vorfeld wurden detaillierte Untersuchungen zum dynamischen Verhalten des Stoßes sowohl mit instationärer Druckmesstechnik als auch mit Hochgeschwindigkeitsschlierenaufnahmen durchgeführt. Zielsetzung dieser Arbeit war es nun beide Messtechniken gleichzeitig einzusetzen und damit Druckdaten mit Schlierensequenzen zu korrelieren.

Eine technische Herausforderung der Messaufgabe besteht darin, zeitgleich sowohl der Druckmesstechnik wie auch der Schlierenoptik ein Signal zu übermitteln. Dieses soll den gemeinsamen und für die spätere Auswertung essentiellen Startpunkt der Messung markieren. Das von der Schlierenoptik erfasste Signal muss zwangsläufig optischer Natur sein und vor der Hintergrundbeleuchtung durch die 1600 Watt Xenonlampe über ausreichend Intensität verfügen. Daher wurde ein Dioden-Laser gewählt, mit welchem die der Videokamera zugewandte Seite des Modells beleuchtet wird. Die Spannungsversorgung des Lasers erfolgt über einen Kanal einer SCXI-1160-Relais-Karte, wobei im Ruhezustand der Stromkreis geschlossen und der Lichtpunkt sichtbar ist. Ein Kanal der dynamischen Druckmesswerterfassung überwacht gleichzeitig den Spannungsabfall im Stromkreis. Wird das Relais geöffnet, erfasst das Videosystem das Abschalten des Lasers und zeitgleich die Druckmesswerterfassung einen Spannungsabfall. Die Kamera selbst wird über einen zweiten Kanal der SCXI-1160-Relais-Karte rechtzeitig, d.h. mit Pretrigger, gestartet.
Bild 2 erläutert diese Vorgehensweise. Im oberen Teil sind zwei Schlierenaufnahmen vor bzw. nach der Triggerung zu sehen. Im unteren Teil ist die zeitliche Entwicklung eines Drucksignals und der Laserspannung aufgetragen. Letzteres Signal ist im unteren Bildteil vergrößert dargestellt. Diese Vorgehensweise gestattet die zeitliche Korrelation beider Messverfahren mit einer Genauigkeit besser als 50 µs.
An dieser Stelle ist hervorzuheben, dass gerade die Architektur des neuen SMR-Systems des TWM die einfache Verschaltung und Programmierung solcher Messaufbauten unterstützt und die problemlose Implementierung von Kontroll- und Auswerteroutinen in die Messrechner erlaubt.

Mittels der Software DIAdem und CLIP von National Instruments ist es möglich, Druckverteilungen gleichzeitig mit den Hochgeschwindigkeitsschlierenaufnahmen zu betrachten. Zuerst werden die dynamischen Drucksignale mittels DIAdem eingelesen, bearbeitet und in einem für DIAdem CLIP lesbaren Format gespeichert. Danach werden der Hochgeschwindigkeitsschlierenfilm und die Drucksignale mittels dem elektrischen und dem optischen Triggersignal in DIAdem CLIP synchronisiert und können anschließend analysiert werden.
In Bild 3 folgt eine Sequenz von Schlierenaufnahmen. Rechts im Bild sind jeweils die Druckkurven zu erkennen. Die Legende in der oberen Ecke zeigt von oben nach unten den Kanal 7 bis Kanal 9. Die senkrechte schwarze Linie (zeitliche Video-Druck-Koppelung) markiert den Zeitpunkt, zu dem das Schlierenbild aufgenommen wurde. Zusätzlich ist in den Schlierenaufnahmen noch die Aufnahmezeit eingeblendet. Mit voranschreitender Zeit wandert die schwarze Linie nach rechts und zeigt damit die den schlierenoptischen Bildern entsprechenden Drücke der Messstellen 7 bis 9. Dabei ergeben sich aufgrund der gewählten doppelten Abtastrate der Kulites jeweils zwei Druckmessungen pro Schlierenbild.
Die Diskussion der Bewegung einzelner Strukturen in den schlierenoptischen Aufnahmen wird durch ein den Bildern überlagertes Gitter (zwischen die Linien x= 0 mm und x= -40 mm) vereinfacht. Als Referenz dienen insgesamt drei Gitterpunkte. Der erste (R1) ist der rechte untere Eckpunkt der linken unteren Gitterfläche und liegt damit vor dem Messpunkt 7. Der zweite (R2) wird repräsentiert durch den linken oberen Eckpunkt der rechten unteren Gitterfläche. Der dritte Referenzpunkt (R3) ist schließlich durch die linke obere Ecke der rechten mittleren Gitterfläche gegeben. Mit Hilfe dieser Vorgehensweise konnten erstmals Veränderungen im Stoßsystem mit Drucksignalen zugeordnet werden.
Diese Betrachtungen zeigen, dass eine Korrelation aller Strukturen des Stoßes mit den Druckmessungen möglich ist, aufgrund der integrativen Arbeitsweise der Schlierenoptik verlangt die Zuordnung einzelner Linien zu bestimmten Druckänderungen jedoch noch tiefergehende experimentelle Untersuchungen.

Zusammenfassung
Die Korrelation von dynamischen Drucksignalen (Kulites-Druckaufnehmer) mit Hochgeschwindigkeitsschlierenaufnahmen (Phantom V5) ist durch die verwendete PXI-Hardware von NI zur Erfassung der Drücke und durch das Programmpaket DIAdem und dessen Erweiterungsmoduls CLIP erfolgreich durchgeführt worden.

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Dr.-Ing. Jürgen Müller
Trisonischer Windkanal München, Institut für Luftfahrttechnik, Universität der Bundeswehr München

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