Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3484
Main Title: Spannungsoptik-Tomographie in Strömungen
Translated Title: Photoelastic Tomography in Fluid Flow
Author(s): Schneider, Torsten
Advisor(s): Paschereit, Christian O.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Scherraten sind in der Strömungsmechanik von besonderem Interesse: Stofftransport und Wärmeübergang werden z.B. wesentlich von der Wandscherrate bestimmt. Insbesondere in der Biofluidmechanik spielt die Scherrate eine große Rolle, da viele Zellvorgänge von ihr beeinflusst werden. Allerdings ist die direkte Messung der Scherrate im Volumen von Strömungen bis heute nichtbefriedigend gelungen. Die bekannten optischen Messverfahren erfassen Geschwindigkeitsdaten, aus denen durch Differenzbildung die Scherrate bestimmt wird. Diese Bestimmung ist aber mit relativ hohen Messungenauigkeiten verbunden. Eine Messmethode, deren Signal direkt von der Scherung erzeugt wird, hat gegenüber bestehenden Verfahren ein hohes Potential in Bezug auf die erreichbare Genauigkeit und Auflösung. Eine solche Messmethode nutzt den Maxwell-Effekt in doppelbrechenden Fluiden. Hier erzeugen Scherungen einen unmittelbaren physikalischen Effekt: die Änderung der Polarisation von durchstrahlendem Licht. Die Änderung der Polarisation ist damit ein Maß für die Scherrate entlang der Lichtstrahlen. Dieser physikalische Effekt wird seit Jahrzehnten immer wieder untersucht, ohne dass daraus ein brauchbares Messverfahren entwickelt werden konnte. Ziel der Arbeit war es, diesen Mangel zu beheben. Der Weg dorthin basiert auf folgendem Ansatz: Durch die Anwendung des Maxwell-Effekts im Streulichtverfahren können beliebige Lichtwege im Volumen definiert werden. Die Messung der Polarisationsänderung auf den bekannten Lichtwegen erfolgt bildgebend nach dem Prinzip eines Polariskops in Form von Lichtintensitätsänderungen. Mit parallelen Lichtschnitten wird das gesamte Strömungsvolumen im Sinne einer Tomographie erfasst. Diese neue optische Messtechnik wird als "Spannungsoptik-Tomographie" bezeichnet. Sie hat die Messung des Scherfelds in Strömungen mit dreidimensionaler Ortsauflösung zum Ziel. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Messaufbau konstruiert und realisiert. Als doppelbrechendes Fluid mit ausreichenden scheroptischen Eigenschaften wurde Baumwollgelb gewählt und in seinen optischen und strömungsmechanischen Eigenschaften charakterisiert. Durch die neuartige Zumischung von Mineralöl-Tröpfchen kann im Volumen die benötigte Lichtintensität mit ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis erzeugt werden. Es gelang die Spannungsoptik-Tomographie auf stationären Strömungen in grundlegenden Geometrien anzuwenden. Es wurden Kanalströmungen mit Kreis- und Rechteckquerschnitt untersucht. Der Vergleich der Messdaten erfolgte mit analytischen Lösungen und mit Simulationen mit der Finite-Volumen-Methode. Ein Novum ist die gleichzeitige spannungsoptische Messung von zwei unabhängigen Scherratenkomponenten in Strömungen. Zusätzlich wurde ein theoretisches Modell der Spannungsoptik-Tomographie entwickelt. Bei diesem Modell werden Lichtintensitätsfelder simuliert und für die Validierung eines Rekonstruktionsalgorithmus angewendet. Damit ist es gelungen, die Grundlagen für die Anwendung der Spannungsoptik-Tomographie zu entwickeln. Die Spannungsoptik-Tomographie ermöglicht dreidimensionale Scherratenmessungen ohne den Umweg über Geschwindigkeitsmessungen. Das Verfahren bietet die Möglichkeit zur Vermessung von Modellströmungen mit hinreichender Genauigkeit. Der Einsatz der Spannungsoptik-Tomographie zur industriellen Echtzeit-Prozesskontrolle, für medizinische Fragestellungen und in der Festkörpermechanik wird diskutiert.
Shear rates are of special interest in fluid dynamics. As an example, mass transport and heat transfer are significantly influenced by wall shear rates. Shear rates are important especially in biofluid mechanics since they govern numerous cell processes. So far, no adequate technique for measuring shear rates directly within the volume of fluid flow exists. Established optical measurement techniques derive shear rates from measured velocity data. This process is associated with relatively high measurement uncertainties. A measurement technique based on a signal directly depending on shear rates has a great potential for increasing accuracy and resolution. Such a measurement technique utilizes the Maxwell effect in birefringent fluids. In these fluids, shear rates induce a physical effect: a change of state of polarization of transmitted light. The change of polarization is for this reason a measure for the shear rate field along the light path. This effect has been studied for decades but a satisfying measurement technique based on it has so far not been developed. The objective of this thesis is to overcome this deficiency. When utilising the Maxwell-Effect in combination with the scattered-light method it is possible to define arbitrary light paths through a volume. The change of state of polarization is measured along the known light paths using the principle of a polariscope in the form of light intensity changes in images. A volumetric scan of a fluid flow can be made available through parallel light sheets in a tomographic manner. This proposed optical technique is a "photoelastic tomography" with the purpose of determining shear rate fields with a three dimensional spacial resolution. Part of this thesis was the construction and realization of a measurement setup. Milling Yellow has been selected as birefringent fluid. Its optical and rheological properties have been determined. As a novelty, added mineral oil enhanced the intensity of scattered light and the increased signal-to-noise ratio. Photoelastic tomography was successfully applied to stationary fluid flow in basic flow geometries. Flow in channels with circular and rectangular cross section were studied. Measured data was compared with analytically and numerically derived flow fields. As a novelty, the simultaneous measurement of two different shear rate components was possible. A theoretical model of photoelastic tomography was derived to simulate light intensity fields. This model was utilized to validate the developed shear rate reconstruction algorithm. The basics for applying photoelastic tomography have been developed. Photoelastic tomography allows three dimensional shear rate field measurements without having to derive the shear rates indirectly from velocity fields. This method makes it possible to measure in flow models with sufficient accuracy. The application of photoelastic tomography in the field of real-time process control, for medical problems and to solid mechanics are discussed.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-38149
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3781
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3484
Exam Date: 8-Nov-2012
Issue Date: 28-Jan-2013
Date Available: 28-Jan-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Maxwell-Effekt
Messtechnik
Spannungsoptik
Streulichtverfahren
Tomographie
Maxwell effect
Measurement technique
Photoelasticity
Scattered-light method
Tomography
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/
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