Schlierentechnik - Strömungsvisualisierung einmal anders

Mit der Strömungstechnik beschäftigten sich bereits die ­Natur­wissenschaftler im Mittel­alter. Natürlich ist durch die Entwicklung ganz unterschied­licher Anwendungen der Aus­legung und Dimensionierung der Anwendungen der Strömungs­technik auch die Notwendigkeit entstanden die Strömungen zu visualisieren. ­Beispiele wie die Umströmung von Autokarossen oder von Trag­flügeln im Windkanal, sind allgegenwärtige Beispiele. Wohl kein Fahrzeug entsteht heute ohne die Optimierung des cw-Werts auf diese Art und Weise. Bei den Strömungen wird zwischen den schleichenden bis hin zu Überschall­strömungen unterschieden. ­Bezieht man sich auf die Reinraumtechnik so hat man es mit „langsamen“ und ­somit den schleichenden Strömungen zu tun.

Abgesehen von den Strömungen in den Lüftungsanlagen herrschen im Reinraum nur ausgeprägte Strömungen an den Luftauslässen, in den sogenannten LF-Bereichen von Werkbänken oder LF-Feldern bzw. Reinräumen ab der ISO-Klasse 5 und besser. In den LF-Bereichen herrschen üblicherweise Luftgeschwindigkeiten von 0,3 bis gut 0,5 m/sec. Bei der Umströmung von Objekten oder dem Rückluftbereich können auch schon mal Strömungsgeschwindigkeiten von über 0,5 m/sec entstehen.

Neben den aufgeprägten Strömungen durch die Lüftungstechnik entstehen auch Strömungen durch Temperaturgradienten, d.h. an warmen bzw. heißen Oberflächen, wie sie an Prozessgeräten oder z.B. Spritzgußmaschinen auftreten können.
Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich u.a. mit dem Thema der Konvektionsströmungen in Verbindung mit aufgeprägten Strömungen in der Reinraumtechnik und letztlich deren Sichtbar­machung.

Konvektionsströmung

Eine Konvektionsströmung steigt generell nach oben, da die erwärmte Luft eine geringere Dichte aufweist als die Luft des umgebenden Bereichs. Aufwärtsgerichtete Strömungen im Reinraum sind meist nicht gewünscht. Luftströmungen transportieren bekanntermaßen auch Kontamination in Form von Partikeln oder auch molekulare Kontamination, was bedeutet dass derartige Strömungen vermieden werden sollten. Das Zusammentreffen einer Konvektionsströmung mit der aufgeprägten Strömung im Reinraum in genau entgegengesetzter Richtung ist es wert, bzw. interessant deren gemeinsame Auswirkung sichtbar zu machen.

 

Erläuterung zum Aufbau, wie er für diesen Beitrag verwendet wurde

Als Lichtquelle dient eine kleine LED mit weißem monochromatischem Licht. Dieses wird hin zum Parabolspiegel gerichtet. Das reflektierte Licht wird von einer Kamera erfaßt deren Brennpunkt bei der Blende liegt. Mit dieser scharfen Kante, ideal ist eine Rasierklinge, wird die Hälfte der Brenn­ebene ausgeblendet. Mit Hilfe der Feinjustierung der scharfen Kannte kann die Abstimmung in kleinsten Abständen vorgenommen werden. Beim Einsatz des Systems ist es nicht notwendig dass der Raum abgedunkelt wird, die Visualisierungen lassen sich auch bei Tageslicht durchführen.
Wie in Abb.oben aufgezeigt, entsteht ein Bereich in dem das Experiment und somit die Sichtbarmachung erfolgen kann. Dieser ist in seiner Tiefe begrenzt, was man experimentell herausfinden muss.

 

Fazit

Der hier gezeigte Aufbau wurde im Labor verwendet um verschiedene gleichzeitig vorhandene Strömungen in einer Maschine zu visualisieren und zu bewerten. Somit konnte nachgewiesen werden, dass das Verfahren sehr gut geeignet ist um reale Strömungssituationen in einem Versuch zu zeigen. Um das System unter Reinraumbedingungen zu verwenden, so ist das wohl in den meisten Fällen nicht ohne weiteres möglich, da der apparative Aufwand recht groß ist und die Platzverhältnisse dies im Reinraum nicht ohne weiteres zulassen. Auch muss es möglich sein den Hohlspiegel hinter dem zu visualisierenden Bereich aufzustellen. Somit bleibt diese Technik in den Augen des Autors eher eine Variante für den Versuchsaufbau unter Laborbedingungen.

Literatur:

¹ Wikipedia: Schlierenfotografie

² Prinzipbild: www.schlieren.photography; 2016 Christopher Greiß

³ Universität Chemnitz Schlierenmessplatz zur Quantifizierung von Luftbewegungen in der Gerätetechnik; ­September 2017; Dr. Ing. Sebastian Voigt

 

Autor: Thomas von Kahlden, CCI – von Kahlden GmbH, Leinfelden