Strömungstechnik

Lasermessverfahren haben sich in vielen Anwendungsbereichen etabliert. In der Strömungstechnik ist die Messung der Geschwindigkeit von Fluiden eine herausragende Aufgabenstellung. Die Laser-Doppler-Technik erlaubt eine störungsfreie präzise Geschwindigkeitsmessung mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung. Ihre Anwendungsfelder liegen z.B. in der Untersuchung von Verbrennungsvorgängen, Blutströmungen oder der Umströmung von Flugzeugtragflächen. Am LZH werden neuartige Laser-Doppler-Systeme entwickelt, erprobt und angewendet. Abbildung 1 zeigt die Nutzung eines diodengepumpten Festkörperlasers mit einer Grundmode-Leistung von mehreren 10 W für einen fasergestützten Laser-Doppler-Messkopf, um präzise Strömungsuntersuchungen an einer Testdüse vorzunehmen.

Aktueller Forschungsbedarf besteht in der Miniaturisierung der Laser-Doppler-Technik zur Erweiterung des Anwendungsspektrums, beispielsweise für die Integration in Endoskope, Katheter oder Windkanalmodelle.
Am LZH wird unter Nutzung von Glasfasern, diffraktiver Optik und weiteren MOEMS (Micro-optical-electrical-mechanical-systems) an der apparativen Vereinfachung und Verkleinerung von fasergestützten Laser-Doppler-Sensoren bis zu Dimensionen im Millimeterbereich gearbeitet. In Abbildung 2 sind die Schlüsselkomponenten für die Miniaturisierung dargestellt.

Eine Erweiterung des Messverfahrens zur Erfassung von Geschwindigkeitsänderungen wurde mit einer zeit- und ortsaufgelösten Bestimmung der Doppler-Frequenz unter Nutzung eines digitalen Signalprozessors (DSP, Abb. 3) vorgenommen. Die Messung von örtlichen Geschwindigkeitsgradienten (Abb. 4) erlaubt, aussagekräftige Informationen über laminare und turbulente Scherströmungen zu erhalten.

Abb. 1: Laser-Doppler-System mit diodengepumptem Festkörperlaser (hinten) und einer faseroptischen Messsonde (vorne) zur Geschwindigkeitsmessung von Strömungen
Fig. 1: Laser Doppler system with diode-pumped solid-state laser (back) and fiber optic probe (front) for the measurement of flow speeds

Abb. 2: Mikrosystemtechnik: Kombination von Doppelkernfaser (unten) und diffraktiver Mikrooptik (oben) als Schlüsselelemente zur Realisierung miniaturisierter Laser-Doppler-Sensoren; der zu sehende Regenbogen wird durch Beugungseffekte hervorgerufen
Fig. 2: Microsystem technology: Combination of a double-core fiber (below) and a diffractive microoptic (above) as key elements for the implementation of miniaturized laser Doppler sensors; the rainbow is caused by diffraction effects