DE4102855C2 - Method and device for determining local fluctuations in density in boundary layers of a flow-around body - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 zur Bestimmung von lokalen Dichteschwankungen an einer Oberfläche eines umströmten Körpers.The invention relates to a method according to the The preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 4 for determining local density fluctuations on a surface of a around the body.

Bei Windkanalexperimenten geht es im wesentlichen um die Verfolgung von Strömungsverläufen an einem Modell. Ein wichtiges Kriterium für die Strömung ist hierbei, ob sie in der Grenzschicht an der Oberfläche des umströmten Körpers laminar oder turbulent ist. Mit turbulenten Strömungen sind signifikante Dichteschwankungen in dem den Körper umströmendem Fluid verbunden.Wind tunnel experiments are essentially about Tracking flow patterns on a model. A An important criterion for the flow is whether it is in the boundary layer on the surface of the flowed body is laminar or turbulent. With turbulent flows significant fluctuations in density in the flow around the body Fluid connected.

Bei der Bestimmung des lokalen Grenzschichtzustandes ist zu beachten, daß dieser nicht beeinflußt wird. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn mit verkleinerten Modellen, beispielsweise die Grenzschichtzustände an einem Flugzeug erkundet werden sollen. Häufig wird zur Aufrechterhaltung der Reynoldzahl, die bei einer Verkleinerung des Modells gegenüber dem Original unter ansonsten gleichbleibenden Bedingungen abfällt, das den Körper umströmende Fluid durch flüssigen Stickstoff abgekühlt. Hierbei sind für das Fluid geschlossene Kreisläufe geboten, die das Modell einschließen. Notwendige Manipulationen direkt am Modell erfordern aus diesem Grund einen hohen Aufwand.When determining the local boundary layer state is too note that this is not affected. Special Difficulties arise when using smaller models, for example the boundary layer conditions on an aircraft to be explored. Often it is used to maintain the Reynold number compared to a reduction of the model the original under otherwise constant conditions drops, the fluid flowing around the body through liquid Nitrogen cooled. Here are closed for the fluid Cycles that include the model. Necessary For this reason, manipulations directly on the model require a lot of effort.

Aus dem AIAA Journal, Vol. 27, No. 4, April 1989, S. 405-410, sind ein Verfahren nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 für den Fall diffusreflektierend bekannt. Dabei wird von dem Zusammenhang Gebrauch gemacht, daß sich die signifikanten Dichteschwankungen von turbulenten Strömungen auf dem lokalen Licht auswirken. Wenn bei dem beobachteten Speckle also Schwankungen in der Helligkeit auftreten, so heißt dies, daß zumindest einer der beiden Teilstrahlen bzw. das von ihm hervorgerufene Streulicht durch Fluidbereiche mit schwan­ kenden Dichteverhältnissen hindurchgetreten ist. Damit ist eine turbulente Strömung nachgewiesen. Mit dem menschlichen Auge lassen sich die entsprechenden Schwankungen der Hellig­ keit des beobachteten Speckles jedoch nicht erkennen, da die Frequenzen der Schwankungen im Bereich einiger kHz liegen. Die Aufspaltung des zuvoraufgeweiteten Laserstrahls erfolgt bei dem bekannten Verfahren bzw. der bekannten Vorrichtung mit Hilfe eines Wollaston-Prismas. Mit einer Sammellinse werden die beiden Teilstrahlen anschließend in beabstandeten Punkten auf der Oberfläche des umströmten Körpers fokussiert. Das Streulicht von der Oberfläche des Körpers gelangt durch die Sammellinse und das Wollaston-Prisma zurück zu einem Strahl­ teiler, der das Streulicht auf ein zweites Wollaston-Prisma ablenkt. Zur eigentlichen Teilung eines Strahls wird der Strahlteiler dabei nicht benutzt. In dem zweiten Wollaston- Prisma werden die Strahlen aus dem Streulicht beider Teil­ strahlen zu dem Speckle-Muster überlagert, das auf einen Detektor zur Beobachtung des zeitlichen Verlaufs der Helligkeit eines Speckles fokussiert wird. Auf diese Weise können Dichteschwankungen an der Oberfläche des umströmten Körpers analysiert werden, da sie sich auf die beiden Teilstrahlen unterschiedlich auswirken und so zu einer Verschiebung der Helligkeit des beobachteten Speckles führen. Nachteilig auf das Meßergebnis wirken sich hierbei jedoch Schwingungen der reflektierenden Oberfläche aus. Dies geht so weit, daß selbst Untersuchungen an herkömmlichen, schwingenden Windkanalmodellen kaum möglich sind.From the AIAA Journal, Vol. 27, No. 4 , April 1989, pp. 405-410, a method according to the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 4 are known in the case of diffusely reflecting. Use is made of the connection that the significant fluctuations in density of turbulent flows affect local light. If fluctuations in the brightness occur in the observed speckle, this means that at least one of the two partial beams or the scattered light caused by it has passed through fluid areas with fluctuating density ratios. This proves a turbulent flow. The corresponding fluctuations in the brightness of the observed speckle cannot be recognized with the human eye, however, since the frequencies of the fluctuations are in the range of a few kHz. The previously widened laser beam is split in the known method or the known device with the aid of a Wollaston prism. With a converging lens, the two partial beams are then focused at spaced points on the surface of the flowed body. The scattered light from the surface of the body passes through the converging lens and the Wollaston prism back to a beam splitter which deflects the scattered light onto a second Wollaston prism. The beam splitter is not used to actually split a beam. In the second Wollaston prism, the rays from the scattered light from both parts are superimposed to form the speckle pattern, which is focused on a detector for observing the time profile of the brightness of a speckle. In this way, density fluctuations on the surface of the body around which the flow is flowing can be analyzed, since they affect the two partial beams differently and thus lead to a shift in the brightness of the speckle observed. However, vibrations of the reflecting surface have a disadvantageous effect on the measurement result. This goes so far that even investigations on conventional, vibrating wind tunnel models are hardly possible.

Als Verfahren zur Bestimmung von lokalen Grenzschichtzuständen an einer Oberfläche eines umströmten Körpers ist es auch bekannt, die Grenzschicht an der Oberfläche mit einer Infra­ rotkamera zu beobachten. In turbulenten Strömungen kommt es zu einer Änderung des Wärmetransports durch die Grenzschicht, was sich mit einer Infrarotkamera nachweisen läßt. Nachteilig sind jedoch die hierzu erforderlichen hohen Belichtungszeiten, da die Unterschiede bei den Intensitäten der ausgesandten infraroten Strahlung zwischen laminaren und turbulenten Strömungen doch recht gering sind. Dies gilt im besonderen, wenn mit abgekühlten Fluida und somit nur sehr schwachen absoluten infraroten Intensitäten gearbeitet wird.As a method for determining local boundary layer states it is also on a surface of a flowed body known, the boundary layer on the surface with an infra watching red camera. It happens in turbulent currents a change in heat transport through the boundary layer what can be demonstrated with an infrared camera. Are disadvantageous  however, the high exposure times required for this, since the differences in the intensities of the emitted infrared radiation between laminar and turbulent Currents are quite low. This is especially true if with cooled fluids and therefore only very weak absolute infrared intensities are worked.

Als weiteres Verfahren zur Bestimmung von lokalen Grenz­ schichtzuständen an einer Oberfläche eines umströmten Körpers ist es bekannt, piezo-elektrische Folien auf die Oberfläche aufzubringen und die in der Folie erzeugten Spannungen lokal zu beobachten. Turbulente Grenzschichtzustände sind mit hochfrequenten Druckschwankungen, die als elektrische Wechsel­ spannungen beobachtbar sind, verbunden. Durch dieses Verfahren wird die Oberflächenrauhigkeit verändert und damit auch der Grenzschichtzustand beeinflußt. Dies gilt im besonderen, da für eine lokale Beobachtung der erzeugten Spannungen eine entsprechende Vielzahl elektrischer Leitungen vorzusehen ist.Another method for determining local boundaries layer states on a surface of a flowed body it is known to apply piezoelectric foils to the surface to apply and the tensions generated in the film locally to observe. Turbulent boundary layer states are included high-frequency pressure fluctuations that act as electrical changes tensions are observable. Through this procedure the surface roughness is changed and with it the Boundary state affected. This is especially true because for a local observation of the generated voltages a corresponding number of electrical lines must be provided.

Darüber hinaus bekannte Verfahren zur Bestimmung von lokalen Grenzschichtzuständen an einer Oberfläche eines umströmten Körpers der eingangs beschriebenen Art sind ausnahmslos mit einer Beeinflussung der lokalen Grenzschichtzustände verbunden. Vielfach reagieren sie zudem empfindlich auf ein abgekühltes Fluid.In addition, known methods for determining local Boundary layer states on a surface of a flow Bodies of the type described in the introduction are without exception an influence on the local boundary layer states connected. In many cases, they are also sensitive to cooled fluid.

Aus F. Durst et al., Priciples and Practice of Laser- Doppler-Anemometry, 2. Aufl., Academic Press., London, 1981, S. 98-108, sind verschiedene Aufbaumöglichkeiten von Laser-Doppler-Anemometern bekannt.From F. Durst et al., Priciples and Practice of Laser- Doppler-Anemometry, 2nd ed., Academic Press., London, 1981, pp. 98-108, are different construction options known from laser Doppler anemometers.

Aus dem Artikel "Interferometrie - neue Möglichkeiten durch Bildverarbeitung", in "Qualität und Zuverlässigkeit" 35 (1990/4), Seiten 219-223 ist ein Verfahren zur Beobachtung schwingender Oberflächen bekannt. Ein Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgespaltet. Ein Teilstrahl dient zur Beleuch­ tung der Oberfläche, die mit einer optischen Vorrichtung auf die Bildebene einer Kamera abgebildet wird. Den Strahlen aus den von der Oberfläche ausgehenden Streulicht, die auf die Bildebene der Kamera auftreffen, wird der zweite Teilstrahl parallel überlagert. Hierbei entsteht in der Bildebene der Kamera ein sogenanntes Speckle-Muster. Speckle-Muster sind eine Interferenzerscheinung, die besonders nach Reflexion eines Laserstrahls an einer diffus reflektierenden Oberfläche auftritt. Unterschieden wird unter subjektiven Speckles, die auftreten, wenn die diffus streuende Oberfläche mit einer optischen Vorrichtung auf die Ebene abgebildet wird, in denen die Speckles beobachtet werden, und sogenannten objektiven Speckles, die ohne die Verwendung einer Abbilde-Optik ent­ stehen. Im vorliegenden Fall handelt es sich um subjektive Speckles, anhand derer die gesamte Oberfläche gleichzeitig beobachtet wird. Durch die Überlagerung der Strahlen aus dem von der Oberfläche ausgehenden Streulicht mit dem zweiten Teilstrahl als Referenzstrahl entsteht ein Speckle-Muster, bei dem Bewegungen der Oberfläche schon im Bereich deutlich kleiner als die Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts durch Helligkeitsschwankungen und Verschiebungen der Speckles sichtbar werden. Die Intensitäten des von der Oberfläche ausgehenden Streulichts und des Referenzstrahls müssen hierbei etwa gleich groß sein. Bei periodisch veränderten Speckle- Mustern ist als Ursache nicht zwischen einer gleichförmig bewegten oder schwingenden Oberfläche zu unterscheiden. Für diese Differenzierung sind zusätzliche Maßnahmen nötig.From the article "Interferometry - new possibilities through Image Processing ", in" Quality and Reliability "35 (1990/4), pages 219-223 is a method for observation known vibrating surfaces. A laser beam is divided into two Partial beams split. A partial beam is used for lighting tion of the surface with an optical device the image plane of a camera is imaged. The rays out the stray light emanating from the surface and onto the The second sub-beam will hit the image plane of the camera overlaid in parallel. This creates the  Camera a so-called speckle pattern. Speckle patterns are an interference phenomenon, especially after reflection of a laser beam on a diffusely reflecting surface occurs. A distinction is made between subjective speckles, the occur when the diffusely scattering surface with a optical device is mapped to the plane in which the speckles are observed, and so-called objective Speckles that ent without the use of an image optics stand. In the present case, it is subjective Speckles, based on which the entire surface at the same time is observed. By superimposing the rays from the scattered light emanating from the surface with the second Partial beam as a reference beam creates a speckle pattern, at the movement of the surface clearly in the area smaller than the wavelength of the laser light used Brightness fluctuations and shifts in the speckles become visible. The intensities of the surface outgoing scattered light and the reference beam be about the same size. With periodically changed speckle Patterning is not uniform between one cause distinguish moving or vibrating surface. For this differentiation requires additional measures.

Um bei beleuchteten Oberflächen die Streulichtintensität in Richtung der zum Beleuchten verwendeten Lichtquelle zu erhöhen, sind retro-reflektierende Folie, z. B. aus der US 46 37 950, bekannt. Die retro-reflektierende Oberfläche reflektiert auftreffende Lichtstrahlen zwar in gewisser Weise diffus, doch im wesentlichen unabhängig vom Einstrahlwinkel in Richtung der Quelle des Lichtstrahls.In order to reduce the scattered light intensity in illuminated surfaces Direction of the light source used to illuminate increase, are retro-reflective film, e.g. B. from US 46 37 950 known. The retro-reflective surface reflects striking Rays of light are somewhat diffuse, but in essentially independent of the angle of incidence in the direction of Source of the light beam.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 aufzuzeigen, die auch bei schwingenden reflektierenden Oberflächen Untersuchun­ gen der Dichteschwankungen in den Grenzschichten zulassen.The invention is based on the object of a method the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 4 to show the even with vibrating reflective surfaces against the density fluctuations in the boundary layers.

Erfindungsgemäß wird dies bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und bei der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 4 erreicht. Einflüsse von Schwingungen der Oberfläche des umströmten Körpers auf die Helligkeit des beobachteten Speckle werden dabei völlig ausgeschlossen, da hiervon beide Teilstrahlen bzw. das durch sie hervorgerufene Streulicht in gleicher Weise betroffen sind. Auch oberflächenferne Dichteschwankungen des Fluids bleiben vorteilhaft ohne Auswirkungen auf das Streulicht der beiden Teilstrahlen, da dieses vom selben Punkt der Oberfläche ausgeht und daher exakt denselben Dichteschwankungen ausge­ setzt ist. Bei dem beobachteten Speckle machen sich nur die­ jenigen Dichteschwankungen bemerkbar, die den unterschied­ lichen Wegen der Teilstrahlen zu dem einen Punkt auf der Oberfläche zuzuordnen sind.According to the invention, this is the method according to the preamble of claim 1, by the characterizing features of the claim 1 and in the device according to the preamble of claim 4 by the characteristic features of claim 4 achieved. Influences of vibrations of the surface of the body around which it flows The brightness of the observed speckle becomes completely excluded, since both partial beams or the through stray light caused in the same way affected are. Fluctuations in density of the fluid away from the surface remain advantageous without affecting the stray light two partial beams, since this is from the same point on the surface goes out and therefore exactly the same density fluctuations sets is. With the observed speckle only those make up noticeable fluctuations in density that make the difference due to the partial beams to the one point on the Surface to be assigned.

Das durch die Überlagerung auf der Oberfläche des Körpers gewonnene Speckle-Muster ist den objektiven Speckles zuzu­ ordnen. Ein Scharfstellen des Speckle-Musters bezüglich der Oberfläche ist daher nicht notwendig. Die Oberfläche ist nur in diffus oder retro-reflektierender Form für das neue Ver­ fahren geeignet und daher eventuell entsprechend herzurichten. Retro-reflektierende Oberflächen erfordern eine geringere Laserstrahlintensität, da die Ausbeute an verwertbarem Streulicht deutlich größer ist als bei im engeren Sinne diffus reflektierenden Oberflächen.This is due to the overlay on the surface of the body The speckle pattern obtained is added to the objective speckles organize. Focusing the speckle pattern on the Surface is therefore not necessary. The surface is just in diffuse or retro-reflective form for the new ver drive suitable and therefore possibly to prepare accordingly. Retro-reflective surfaces require less Laser beam intensity because the yield of usable  Scattered light is significantly larger than diffuse in the narrower sense reflective surfaces.

Der Laserstrahl kann aufgeweitet und auf die Oberfläche fokussiert werden. Da die Größe objektiver Speckles umgekehrt proportional zu der Größe des Bereichs der Oberfläche ist, die durch den jeweiligen Teilstrahl beleuchtet wird, werden durch die Fokussierung des Laserstrahls auf die Oberfläche relativ große und damit leicht zu beobachtende Speckles erzielt. Durch die Aufweitung des Strahls bis auf den Bereich nahe der Oberfläche ergibt sich zudem eine Reduktion von störenden Einflüssen. Oberflächenferne Dichteschwankungen im Fluid, die nichts mit dem interessierenden Grenzschichtzustand zu tun haben, sondern beispielsweise auf Unzulänglichkeiten am Windkanal zurückgehen, wirken sich nur auf Teile der Wellen­ front des durchtretenden Teilstrahls aus und beeinflussen daher das beobachtete Speckle-Muster nicht als Ganzes. Das Speckle-Muster reagiert aber ausschließlich auf Laufzeitver­ schiebungen zwischen den einzelnen Teilstrahlen bzw. dem durch die Teilstrahlen hervorgerufenen Streulicht. Diese Laufzeit­ verschiebungen entstehen nur durch Dichteschwankungen im Fluid, von denen jeweils eine gesamte Wellenfront betroffen ist.The laser beam can be expanded and onto the surface be focused. Because the size of objective speckles is reversed is proportional to the size of the area of the surface that is illuminated by the respective partial beam, by the focus of the laser beam on the surface relatively large and easy to observe speckles. By the expansion of the beam to the area near the Surface also results in a reduction from annoying Influences. Fluctuations in density away from the surface of the fluid nothing to do with the boundary layer state of interest have, but for example on shortcomings on Wind tunnel going back only affect parts of the waves front of the passing partial beam and influence hence the observed speckle pattern not as a whole. The Speckle pattern only reacts to runtime ver shifts between the individual partial beams or through the scattered light caused by the partial beams. This term shifts only occur due to density fluctuations in the Fluid, each of which affects an entire wavefront is.

Die Bestimmung der lokalen Dichteschwankungen in den Grenz­ schichten kann mit jeweils einem aufgespaltenen Laserstrahl an mehreren Stellen an der Oberfläche gleichzeitig durchgeführt werden. Durch die Bestimmung des lokalen Grenzschichtzustandes mittels der signifikanten Dichteschwankungen an verschiedenen Stellen der Oberfläche gleichzeitig kann der Ort eines laminar-turbulenten-Grenzschichtübergangs schnell räumlich eingegrenzt werden. Mit dem neuen Verfahren ist es jedoch nicht nur möglich zu entscheiden, ob ein Grenzschichtzustand laminar oder turbulent ist, sondern es läßt auch eine zeitliche Analyse eines turbulenten Grenzschichtzustandes selbst zu. The determination of the local density fluctuations in the border can be layered with a split laser beam performed several places on the surface at the same time become. By determining the local boundary layer state by means of the significant density fluctuations at different Set the surface at the same time, the location of a laminar-turbulent boundary layer transition quickly spatial be narrowed down. With the new process, however, it is not only possible to decide whether a boundary layer state is laminar or turbulent, but it also leaves one temporal analysis of a turbulent boundary layer state yourself too.  

Bei der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 4 gelöst. Die Anordnung des Lasers, der Strahlteileroptik und der Fokussier­ optik entspricht dabei dem Aufbau eines Laser-Doppler-Anemo­ meters, wobei vom Laser aus nach einer Strahlteileroptik und vor einer Fokussierlinse ein Ablenkspiegel zur Ablenkung von Streulicht zum Detektor vorgesehen ist. Ein existierendes Laser-Doppler-Anemometer ist zur Durchführung des neuen Verfahrens so auszurichten, daß der Schnittpunkt der beiden Teilstrahlen auf die Oberfläche des umströmten Körpers fällt. Der Fotodetektor ist so zu justieren, daß er ein einzelnes Speckle des entstehenden Speckle-Musters erfaßt. Hierbei weist die Spiegelebene des Ablenkspiegels von dem Laser weg und zu dessen optischer Achse vorteilhaft einen Winkel von etwa 45° auf. Grundsätzlich hat sich als hilfreich herausgestellt, den Fotodetektor so zu justieren, daß seine aktive Fläche das beobachtete Speckle nur teilweise erfaßt. Auf diese Weise können auch Lageschwankungen des Speckles bei geringer Ver­ schiebung gut registriert werden. Für den Fotodetektor ist selbstverständlich eine Auswerteelektronik vorzusehen, die in der Lage ist, ein Signal der Frequenz von mehreren Kilohertz zu verarbeiten.In the device according to the preamble of claim 4, the task by characterizing features of claim 4 solved. The Arrangement of the laser, the beam splitter optics and the focusing optics correspond to the structure of a laser Doppler anemo meters, whereby from the laser after a beam splitter optics and in front of a focusing lens a deflecting mirror for deflecting Scattered light is provided to the detector. An existing one Laser Doppler anemometer is used to carry out the new Align the procedure so that the intersection of the two Partial rays fall on the surface of the flowed body. The photodetector should be adjusted so that it is a single one Speckle of the resulting speckle pattern detected. Here points the mirror plane of the deflecting mirror away from the laser and closed whose optical axis advantageously has an angle of approximately 45 ° on. Basically, it turned out to be helpful To adjust the photodetector so that its active surface observed speckle only partially recorded. In this way can also fluctuations in position of the speckle at low Ver shift can be registered well. For the photo detector is of course to provide an evaluation electronics, which in is able to signal a frequency of several kilohertz to process.

Vor dem Fotodetektor kann eine verstellbare Blende mit Abstand zu dem Fotodetektor angeordnet sein. Die Blende erweist sich als sinnvoll um unerwünschtes, das heißt, nicht den vorlie­ genden Spezifikationen entsprechendes Streulicht von dem Fotodetektor fernzuhalten.An adjustable aperture can be placed in front of the photo detector be arranged to the photodetector. The aperture turns out as meaningful about undesirable, that is, not the present scattered light from the Keep photodetector away.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert und beschrieben. Die Figur zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Bestimmung von lokalen Dichteschwankungen in Grenzschichten im schematisierten Quer­ schnitt.The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game explained and described in more detail. The figure shows one Embodiment of the device for determining local Density fluctuations in boundary layers in the schematic cross cut.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung 1 entspricht in ihrem Aufbau in weiten Teilen demjenigen eines bekannten Laser- Doppler-Anemometers, auf das sofern bereits vorhanden ohne weiteres zurückgegriffen werden kann. Einem Laser 4 ist eine bekannte und hier nicht näher spezifizierte Strahlteileroptik 25 nachgeordnet, welche den Laserstrahl 8 in parallele und aufgeweitete Teilstrahlen 9, 10 aufspaltet. Die Teilstrahlen 9, 10 werden mit einer Fokussierlinse 24 auf eine diffus reflektierende Oberfläche 2 eines Körpers 3 fokussiert. Beim Auftreffen der beiden Teilstrahlen 9, 10 auf die Oberfläche 2 entsteht diffuses Streulicht, welches durch Pfeile 13 ange­ deutet ist. Strahlen 14, 15 aus dem Streulicht der Teilstrah­ len 9, 10 verlaufen durch den Mittelpunkt der Fokussierlinse 24 und treffen auf einen Ablenkspiegel 26 mit einer Spiegel­ ebene 27, der zwischen der Strahlteileroptik 25 und der Fokussierlinse 24 angeordnet ist. Der Ablenkspiegel 26 lenkt mit seiner Spiegelebene 27 die parallel überlagerten Strahlen 14, 15 auf die aktive Fläche 17 eines Fotodetektors 16 ab. Die Anordnung des Ablenkspiegels 26 und des Fotodetektors 16 entspricht hierbei nicht derjenigen eines herkömmlichen Laser-Doppler-Anemometers. Vor dem Fotodetektor 16 befindet sich eine Blende 18 zum Ausblenden von unerwünschtem Streu­ licht. Mit dem Fotodetektor 16 ist eine Auswerteeinheit 20 verbunden.The structure of the device 1 shown in the figure largely corresponds to that of a known laser Doppler anemometer, which, if already present, can be readily used. A laser 4 is followed by a known beam splitter optics 25 , which is not specified here, which splits the laser beam 8 into parallel and expanded partial beams 9 , 10 . The partial beams 9 , 10 are focused with a focusing lens 24 onto a diffusely reflecting surface 2 of a body 3 . When the two partial beams 9 , 10 strike the surface 2 , diffuse scattered light is produced, which is indicated by arrows 13 . Rays 14 , 15 from the scattered light of the partial beams 9 , 10 pass through the center of the focusing lens 24 and hit a deflecting mirror 26 with a mirror plane 27 , which is arranged between the beam splitter optics 25 and the focusing lens 24 . The deflecting mirror 26 deflects the parallel superimposed beams 14 , 15 onto the active surface 17 of a photodetector 16 with its mirror plane 27 . The arrangement of the deflection mirror 26 and the photodetector 16 does not correspond to that of a conventional laser Doppler anemometer. In front of the photodetector 16 there is an aperture 18 for hiding unwanted stray light. An evaluation unit 20 is connected to the photodetector 16 .

In jeder Ebene, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Strahlen 14, 15 verläuft, entsteht ein Speckle-Muster. In einer solchen Ebene ist der Fotodetektor 16 mit der aktiven Fläche 17 angeordnet. Die vor dem Fotodetektor 16 angeordnete Blende 18 hält Streulicht, welches nicht den weitgehend parallelen Strahlen 14, 15 entspricht, von der aktiven Fläche 17 des Fotodetektors 16 fern. Dieses Streulicht würde die Auflösung des Speckle-Musters negativ beeinflussen. Wird die Oberfläche 2 des Körpers 3 beispielsweise in Richtung der Doppelpfeile 19 von einem Fluid umströmt, ist mit der Vorrichtung der lokale Grenzschichtzustand an der Oberfläche 2 bestimmbar. Bei einem turbulenten Grenzschichtzustand treten lokale Dichteschwankungen des Fluids auf. Hiermit sind Verän­ derungen der Lichtgeschwindigkeit durch das Fluid verbunden. Die Laufzeit des Teilstrahls 9 und/oder 10, der durch einen Bereich solcher Dichteschwankungen hindurchtritt, ist also zeitlich nicht konstant, das heißt, er weist nach dem Hin­ durchtreten Frequenzschwankungen auf. Diese Frequenzschwankun­ gen werden besonders dann sichtbar, wenn der entsprechende Teilstrahl mit dem anderen Teilstrahl überlagert wird, der keinen oder zumindest anderen Dichteschwankungen des Fluids unterworfen wurde. In einem solchem Fall tritt eine zeitabhän­ gige, relative Phasenverschiebung auf, die sich in einem sich mit der Zeit ändernden Specklemuster bemerkbar macht. Wenn also im vorliegenden Fall im Bereich der Teilstrahlen 9, 10 an der Oberfläche 2 ein turbulenter Grenzschichtzustand auftritt, registriert der Fotodetektor 16 auf seiner aktiven Fläche 17 Helligkeitsschwankungen bei dem beobachteten Speckle. Diese Helligkeitsschwankungen lassen sich mit einer Auswerteeinheit 20 analysieren. Bei turbulenten Grenzschichtzuständen treten Helligkeitsschwankungen mit einer Frequenz von typisch einigen Kilohertz auf. Auch wenn im Bereich beider Teilstrahlen 9, 10 turbulente Grenzschichtzustände vorliegen, führt dies zu einem Signal am Fotodetektor 16, da die entsprechenden Dichteschwan­ kungen nur eine geringe Ausdehnung aufweisen und damit beide Teilstrahlen 9, 10 unterschiedlich betreffen. Schwingungen der Oberfläche 2 des Körpers 3 beeinflussen das Signal des Foto­ detektors 16 nicht. Sie betreffen beide Teilstrahlen 9, 10 bzw. Strahlen 14, 15 in genau der gleichen Weise.A speckle pattern is created in each plane that is perpendicular to the direction of propagation of the rays 14 , 15 . The photodetector 16 with the active surface 17 is arranged in such a plane. The aperture 18 arranged in front of the photodetector 16 keeps stray light, which does not correspond to the largely parallel beams 14 , 15 , away from the active surface 17 of the photodetector 16 . This stray light would adversely affect the resolution of the speckle pattern. If a surface flows around the surface 2 of the body 3, for example in the direction of the double arrows 19 , the local boundary layer state on the surface 2 can be determined with the device. Local fluctuations in density of the fluid occur in a turbulent boundary layer state. This involves changes in the speed of light through the fluid. The transit time of the partial beam 9 and / or 10 , which passes through an area of such density fluctuations, is therefore not constant over time, that is to say it has frequency fluctuations after it has passed through. These frequency fluctuations are particularly visible when the corresponding partial beam is superimposed on the other partial beam, which has not been subjected to any or at least other density fluctuations in the fluid. In such a case, a time-dependent, relative phase shift occurs, which manifests itself in a speckle pattern that changes with time. If, in the present case, a turbulent boundary layer state occurs on the surface 2 in the region of the partial beams 9 , 10 , the photodetector 16 registers brightness fluctuations on the active speckle 17 on the observed speckle. These fluctuations in brightness can be analyzed with an evaluation unit 20 . In turbulent boundary layer conditions, brightness fluctuations occur with a frequency of typically a few kilohertz. Even if there are turbulent boundary layer states in the area of the two partial beams 9 , 10 , this leads to a signal at the photodetector 16 , since the corresponding density fluctuations have only a small extent and thus affect both partial beams 9 , 10 differently. Vibrations of the surface 2 of the body 3 do not affect the signal of the photo detector 16 . They affect both partial beams 9 , 10 and beams 14 , 15 in exactly the same way.

Die Vorrichtung 1 erlaubt die Bestimmung des lokalen Grenz­ schichtzustandes und dessen Analyse, ohne den Grenzschichtzu­ stand selbst zu beeinflussen. Hierzu sind keine Manipulationen an der Oberfläche 2, sofern diese diffus reflektierend ist, notwendig. Bei großen Abständen zwischen der Vorrichtung 1 und der Oberfläche 2 ist es jedoch sinnvoll, die Oberfläche 2 mit einer retro-reflektierenden Folie zu versehen. Damit wird der Anteil des Streulichts, welcher in etwa entgegengesetzter Richtung zu den Teilstrahlen 9, 10 verläuft, vergrößert. Die Intensität der Strahlen 14, 15 wächst also bei gleicher Laser­ leistung an. Es ist nicht notwendig, den Laser 4 exakt zu der Oberfläche 2 auszurichten. Da die Vorrichtung 1 nur auf diffus reflektiertes Streulicht angewiesen ist, welches weitgehend unabhängig von dem Auftreffwinkel der Teilstrahlen 9, 10 auf die Oberfläche 2 anfällt, ist die Vorrichtung 1 auch bei schräger Orientierung zur Oberfläche 2 einsetzbar.The device 1 allows the determination of the local boundary layer state and its analysis without influencing the boundary layer state itself. No manipulations on the surface 2 are necessary for this, provided that it is diffusely reflective. In the case of large distances between the device 1 and the surface 2 , however, it makes sense to provide the surface 2 with a retro-reflective film. The proportion of the scattered light which extends in approximately the opposite direction to the partial beams 9 , 10 is thus increased. The intensity of the beams 14 , 15 thus increases with the same laser power. It is not necessary to align the laser 4 exactly with the surface 2 . Since the device 1 is only dependent on diffusely reflected scattered light, which is largely independent of the angle of incidence of the partial beams 9 , 10 on the surface 2 , the device 1 can also be used with an oblique orientation to the surface 2 .

Die Verwendung der aufgeweiteten und auf die Oberfläche 2 fokussierten Teilstrahlen 9, 10 bietet bei der Bestimmung des lokalen Grenzschichtzustandes an der Oberfläche 2 insofern Vorteile, als daß sich Dichteschwankungen des Fluids in oberflächenfernen Bereichen nur in geringem Ausmaß am Fotodetektor 16 bemerkbar machen. Dies ist darauf zurück­ zuführen, daß nur solche Dichteschwankungen die Helligkeit des beobachteten Speckles wesentlich beeinflussen, welche die gesamte Wellenfront des zugrundeliegenden Teilstrahls 9, 10 erfassen. Ein aufgeweiteter Teilstrahl 9, 10, dessen Quer­ schnitt deutlich größer ist als der einer Dichteschwankung zuzuordnende Bereich, wird im Ergebnis von dieser Dichte­ schwankung nicht betroffen. Vorteile ergeben sich hieraus bei der Verwendung der Vorrichtung 1 in einem Windkanal. Dort sind nämlich Turbulenzen beispielsweise an der Windkanalwandung kaum zu vermeiden. Die damit verbundenen Dichteschwankungen im Fluid, haben jedoch nichts mit dem Grenzschichtzustand an der Oberfläche 2 des umströmten Körpers 3 zu tun. Die Teilstrahlen 9, 10 sind in den entsprechenden Bereichen aufgeweitet, so daß jeweils nicht die gesamte Wellenfront betroffen ist. Die Strahlen 14, 15 nehmen von der Oberfläche 2 zum Detektor 16 exakt denselben Weg, so daß durch Dichteschwankungen im Fluid keine relativen Laufzeitverschiebungen bewirkt werden können. Der empfindliche Bereich der Vorrichtung 1 für Dichte­ schwankungen im Fluid ist auf die allein interessierende oberflächennahe Grenzschicht beschränkt. Nur dort sind die Teilstrahlen 9, 10 schon so weit fokussiert, daß jeweils die gesamte Wellenfront von einer Dichteschwankung erfaßt wird.The use of the widened partial beams 9 , 10 focused on the surface 2 offers advantages in determining the local boundary layer state on the surface 2 in that density fluctuations of the fluid in regions remote from the surface are only noticeable to a small extent on the photodetector 16 . This can be attributed to the fact that only those density fluctuations significantly influence the brightness of the observed speckle that capture the entire wavefront of the underlying partial beam 9 , 10 . A widened partial beam 9 , 10 , the cross section of which is significantly larger than the area to be assigned to a density fluctuation, is not affected by this density fluctuation as a result. This results in advantages when using the device 1 in a wind tunnel. There, namely, turbulence on the wind tunnel wall can hardly be avoided. The associated density fluctuations in the fluid, however, have nothing to do with the boundary layer state on the surface 2 of the body 3 around which the fluid flows. The partial beams 9 , 10 are widened in the corresponding areas, so that the entire wavefront is not affected in each case. The beams 14 , 15 take the exact same path from the surface 2 to the detector 16 , so that relative fluctuations in the transit time cannot be caused by density fluctuations in the fluid. The sensitive area of the device 1 for density fluctuations in the fluid is limited to the only near-surface boundary layer of interest. Only there are the partial beams 9 , 10 focused so far that the entire wavefront is covered by a density fluctuation.

Das Fokussieren des Laserstrahls 8 bzw. der Teilstrahlen 9, 10 auf die Oberfläche 2 wirkt sich auch positiv auf die Größe des beobachteten Speckles und damit auf die Einfachheit der Justierung des Fotodetektors 16 aus. Die Größe der Speckles ist umgekehrt proportional zur Größe des das entsprechende Streulicht aussendenden, beleuchteten Bereichs der Oberfläche 2. Auf die Oberfläche 2 fokussierte Teilstrahlen 9, 10 führen also zu großen Speckles mit relativ großen Abständen, von denen ein einzelnes leicht zu beobachten ist. Bei retro­ reflektierenden Oberflächen 2 ist ein vollständiger Fokus allerdings nicht erwünscht, da retro-reflektierende Ober­ flächen eine körnige Struktur aufweisen und von der Körnung unabhängiges Streulicht nur dann auftritt, wenn mehrere Körner gleichzeitig beleuchtet werden.The focusing of the laser beam 8 or the partial beams 9 , 10 on the surface 2 also has a positive effect on the size of the speckle observed and thus on the simplicity of the adjustment of the photodetector 16 . The size of the speckles is inversely proportional to the size of the illuminated area of the surface 2 that emits the corresponding scattered light. Partial beams 9 , 10 focused on the surface 2 thus lead to large speckles with relatively large distances, one of which is easy to observe. With retro-reflecting surfaces 2 , however, a complete focus is not desired, since retro-reflecting surfaces have a granular structure and scattered light independent of the grain only occurs when several grains are illuminated at the same time.

Beim flächigen Einsatz mehrerer Vorrichtungen gemäß der Figur ist es möglich, den Ort eines laminar-turbulenten Grenz­ schichtübergangs einzugrenzen bzw. seine Verschiebung unter geänderten Strömungsbedingungen zu verfolgen. Mit der Vorrichtung 1 ist es jedoch nicht nur möglich den Grenz­ schichtzustand nach laminar oder turbulent einzuteilen, es können vielmehr auch turbulente Grenzschichtzustände näher untersucht werden. Beispielsweise ist die Frequenz der auftretenden Dichteschwankungen genau analysierbar.When using multiple devices according to the figure, it is possible to limit the location of a laminar-turbulent boundary layer transition or to track its displacement under changed flow conditions. With the device 1 , however, it is not only possible to classify the boundary layer state according to laminar or turbulent, but rather turbulent boundary layer states can also be examined in more detail. For example, the frequency of the density fluctuations that occur can be precisely analyzed.

BezugszeichenlisteReference list

1 Vorrichtung
2 Oberfläche
3 Körper
4 Laser
8 Laserstrahl
9 1. Teilstrahl
10 2. Teilstrahl
13 Pfeil
14 Strahl
15 Strahl
16 Fotodetektor
17 aktive Fläche
18 Blende
19 Doppelpfeil
20 Auswerteeinheit
24 Fokussierlinse
25 Strahlteileroptik
26 Ablenkspiegel
27 Spiegelebene 1 device
2 surface
3 bodies
4 lasers
8 laser beam
9 1st beam
10 2nd partial beam
13 arrow
14 beam
15 beam
16 photo detector
17 active area
18 aperture
19 double arrow
20 evaluation unit
24 focusing lens
25 beam splitter optics
26 deflecting mirror
27 mirror plane

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung von lokalen Dichteschwankungen in Grenzschichten an einer Oberfläche (2) eines umströmten Körpers (3), wobei ein Laserstrahl (8) in zwei Teilstrahlen (9, 10) aufgespalten wird, beide Teilstrahlen (9, 10) auf die diffus- oder retroreflektierende Oberfläche (2) gelenkt werden, aus dem von der Oberfläche reflektierten Streulicht beider Teilstrahlen (9, 10) Strahlen (14, 15) etwa gleicher Intensität zu einem Speckle-Muster überlagert werden und wobei bei einem Speckle der zeitliche Verlauf der Helligkeit beobachtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen (9, 10) auf einen Punkt der Oberfläche (2) des Körpers (3) gelenkt werden und daß die Strahlen (14, 15) aus dem Streulicht der beiden Teilstrahlen (9, 10) parallel zu dem Speckle-Muster überlagert werden.1. Method for determining local density fluctuations in boundary layers on a surface ( 2 ) of a body ( 3 ) around which a laser beam ( 8 ) is split into two partial beams ( 9 , 10 ), both partial beams ( 9 , 10 ) on the diffuse - Or retroreflective surface ( 2 ) are directed, from the scattered light reflected from the surface of both partial beams ( 9 , 10 ) rays ( 14 , 15 ) of approximately the same intensity are superimposed to form a speckle pattern, and in the case of speckle the temporal course of the brightness is observed, characterized in that the partial beams ( 9 , 10 ) are directed to a point on the surface ( 2 ) of the body ( 3 ) and in that the beams ( 14 , 15 ) from the scattered light of the two partial beams ( 9 , 10 ) are parallel overlaid on the speckle pattern. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen (9, 10) aufgeweitet und auf die Oberfläche (2) fokussiert werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the partial beams ( 9 , 10 ) are widened and focused on the surface ( 2 ). 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der lokalen Dichteschwan­ kungen in den Grenzschichten mit jeweils einem aufgespaltenen Laserstrahl (8) an mehreren Stellen an der Oberfläche (2) gleichzeitig durchgeführt wird.3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the determination of the local density fluctuations in the boundary layers is carried out simultaneously with a split laser beam ( 8 ) at several locations on the surface ( 2 ). 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 mit einem Laser, einer dem Laser nachgeordneten Strahl­ teileroptik, einer der Strahlteileroptik nachgeordneten Fokus­ sierlinse und einem Fotodetektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteileroptik (25) den Laserstrahl (8) des Lasers (4) in zwei aufgeweitete und parallel verlaufende Teilstrahlen (9, 10) aufspaltet, daß die Teilstrahlen (9, 10) mit der Fokus­ sierlinse in einem Punkt (2) auf der Oberfläche des umströmten Körpers (3) fokussierbar sind, und daß vom Laser (4) aus nach der Strahlteileroptik (25) und vor der Fokussieroptiklinse (24) ein Ablenkspiegel (26) zur Ablenkung von Streulicht zu dem Fotodetektor vorgesehen ist.4. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 and 2 with a laser, a laser downstream beam splitter optics, a downstream of the beam splitter focus sierlinse and a photodetector, characterized in that the beam splitter optics ( 25 ) the laser beam ( 8 ) of the laser ( 4 ) split into two widened and parallel partial beams ( 9 , 10 ) that the partial beams ( 9 , 10 ) with the focusing lens at a point ( 2 ) on the surface of the body ( 3 ) can be focused, and that by the laser ( 4 ) from the beam splitter optics ( 25 ) and in front of the focusing optics lens ( 24 ) a deflection mirror ( 26 ) is provided for deflecting stray light to the photodetector. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Fotodetektor (16) eine verstell­ bare Blende (18) mit Abtand zu der aktiven Fläche (17) des Fotodetektors (16) angeordnet ist.5. The device according to claim 4, characterized in that in front of the photodetector ( 16 ) an adjustable bare aperture ( 18 ) is arranged at a distance from the active surface ( 17 ) of the photodetector ( 16 ).