Pneumatische Mehr-Loch-Sonden-Messungen und Verfahren zur Berechnung der Messunsicherheit in Turbomaschinenströmungen
Magnus Hölle
In der vorliegenden Arbeit werden Einflüsse und Korrekturverfahren pneumatischer Mehr-Loch-Sonden-Messungen in Scherströmungen sowie Verfahren zur Berechnung der Unsicherheiten unter Berücksichtigung der gesamten Messkette untersucht.
Der Einfluss der Scherströmung wird an einem vereinfachten Testfall einer ebenen, inkompressiblen Zylinderumströmung analytisch und numerisch gezeigt. Auf Basis theoretischer und experimenteller Ergebnisse wird ein Mehrschrittverfahren zur Korrektur der Winkel- und Totaldruckmessung entwickelt. Grundlage ist ein linearer Zusammenhang zwischen dem dimensionslosen Scherparameter und auftretenden Abweichungen. Letztere werden im Nachlauf eines ebenen, symmetrischen Schaufelprofils innerhalb einer homogenen Freistrahlströmung im Mach-Zahl-Bereich von 0,4 bis 0,6 bestimmt. Die Ergebnisse der Traversen mit einer halbkugelkopfförmigen 5-Loch-Sonde werden mit Particle Image Velocimetry- sowie Prandtl-Sonden-Referenzverläufen verglichen. Die Referenzmessungen verdeutlichen die Notwendigkeit einer Korrektur über häufig angewendete geometrische Korrekturen hinaus. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren reduziert die Abweichungen im Vergleich zu bisherigen Verfahren. Die Extremwerte des Schwenkwinkelverlaufs nehmen dabei deutlich ab.
Die Verfahren zur Berechnung der Messunsicherheiten basieren auf der Fortpflanzung von Unsicherheiten und der Fortpflanzung von Verteilungen mithilfe einer Monte-Carlo-Methode. Die Einflussgrößen und Korrekturen bei der Kalibrierung und Messung werden analysiert sowie die zugehörigen Modellfunktionen entwickelt. Die Unsicherheiten und Vertrauensbereiche werden separat für jeden Messpunkt bestimmt und die Ergebnisse diskutiert. Die Analyse der Einflussgrößen zeigt, dass die Residuen der Polynomfunktionen in Form von bekannten systematischen Abweichungen zu korrigieren sind. Weiterhin sind sämtliche Korrelationen zu berücksichtigen. Mithilfe der Anteile der Einzeleinflüsse an den Gesamtunsicherheiten werden die dominanten Einflüsse identifiziert. Die 95%-Vertrauensbereiche zeigen relative Abweichungen zwischen beiden Verfahren von bis zu 70%, wobei die Fortpflanzung von Unsicherheiten meist zu einer Überschätzung führt.
