Advancements in the measurement regime of the micro-pillar shear-stress sensor

Für die Untersuchung turbulenter Grenzschichten existiert bisher kein Messsystem, das in der Lage ist, die Wandschubspannungsverteilung quantitativ, flächig und zeitlich hoch aufgelöst zu bestimmen. Da der Micro-Pillar-Shear-Stress-Sensor MPS³ die Möglichkeit bietet, dieses Ziel zu erreichen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Grenzen seines Einsatzbereiches weiter untersucht, um in aerodynamischen Strömungen und bei höheren Reynoldszahlen messen zu können. Dabei sind eine Erhöhung der zulässigen Frequenzbandweite und der zulässigen Sensorgröße als notwendig erarbeitet worden, da durch die größeren Reynoldszahlen einerseits die Zeitskalen divergieren und andererseits die Dicke der viskosen Unterschicht, in die die Micro-Pillars ragen, abnimmt. Mit dem LIGA-Verfahren wurde ferner eine Möglichkeit gefunden, großflächige Sensorfelder mit filigranen Strukturen herzustellen, die die flächige Erfassung der Wandschubspannungsverteilung erlauben. Bei der Untersuchung des Übertragungsverhaltens der Sensoren wurde ein aeroelastisches Verhalten der Strukturen festgestellt. Da durch den mit der entstehenden Resonanz einhergehenden Energieaustausch der Nachlauf der Micro-Pillar beeinflusst wird, ist der Einsatzbereich von MPS³ auf solche Messungen ohne Resonanz beschränkt. Durch eine Erhöhung der zulässigen Sensorgröße, wodurch die Strukturen aus der viskosen Unterschicht herausragen, ist ein Einsatz bei größeren Reynoldszahlen dennoch möglich. Dies wurde abschließend durch Messungen der Wandschubspannungsverteilung in einer vollturbulenten Grenzschichtströmung ohne Druckgradienten gezeigt. Durch eine zusätzliche Messung in einer Strömung mit positivem Druckgradienten wurde ferner die Fähigkeit gezeigt, auch in verzögerten Strömungen messen zu können.