Aufgrund des kontinuierlich steigenden Passagieraufkommens ist es von großer Bedeutung, den Treibstoffverbrauch von zukünftigen Verkehrsflugzeugen zu senken und somit die Umweltbelastungen drastisch zu reduzieren. Zu diesem Zweck muss der Reibungswiderstand deutlich verringert werden. Eine Möglichkeit zur Minderung des Reibungswiderstands ist, den laminar zu turbulenten Übergang der Strömung, die sogenannte Transition, zu verzögern. Mikrotechnisch gefertigte Sensoren bieten in der experimentellen Aerodynamik die Möglichkeit, dieses Phänomen detaillierter zu erforschen. Wegen der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung der Sensoren ist es möglich, kleinste Instabilitäten in der Strömungsgrenzschicht zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei unterschiedliche Typen von Mikrosensoren zur Charakterisierung der Transition entwickelt. Beide Sensoren wurden auf dünnen flexiblen Substraten gefertigt, damit sie in Windkanalversuchen einfach auf gekrümmte Flügelmodelle aufgebracht werden können. Die Sensoren wurden dafür ausgelegt, kleinste Instabilitäten während der Transition, sogenannte Tollmien-Schlichting Wellen, mit Frequenzen im Bereich von mehreren Kilohertz detektieren zu können. Zum einen wurde ein mikrotechnisches Heißfilmsensorarray im Hinblick auf die industrielle Anwendung entwickelt. Dieser Sensor und das dazugehörige Messsystem wurden im Laufe dieser Arbeit bezüglich der Empfindlichkeit und Robustheit verbessert. Das Sensorarray wurde in mehreren Windkanalversuchen mit Anströmgeschwindigkeiten bis zur Reisefluggeschwindigkeit validiert. Hierbei konnten erstmals Instabilitäten mit Frequenzen über 30 kHz nachgewiesen werden. Basierend auf diesen Kenntnissen wurde ein neuartiger kapazitiver Drucksensor entwickelt, bei dem eine strukturierte Schicht aus Silikon (PDMS) als Dielektrikum und zugleich als Federelement genutzt wird. Dieser Sensor wurde nach den Gesichtspunkten der Robustheit, der Herstellbarkeit und des Energieverbrauchs ausgelegt. Die ersten Teststrukturen wurden mikrotechnisch hergestellt und statisch und dynamisch charakterisiert.

    Due to the continuously rising passenger volume it is of great importance to lower fuel consumption of future aircrafts and thus to reduce the environmental impacts drastically. For this purpose friction needs to be decreased clearly. One option for the reduction of friction drag is to delay the laminar to turbulent transition. Sensors that are manufactured using microtechnology offer the possibility in the experimental aerodynamics to investigate this phenomenon in detail. Because of the high temporal and spatial resolution of the sensors it is possible to analyse smallest instabilities in the boundary layer flow. In the context of this work two different types of microsensors have been developed for the characterisation of the transition. Both sensors were manufactured on thin flexible substrates in order that they can be easily applied on curved airfoil models in wind tunnel tests. The sensors were designed to detect smallest instabilities during the transition, socalled Tollmien-Schlichting waves, with frequencies in the range of several kilohertz. On the one hand, a microstructured hot film sensor array was developed regarding industrial application. During this work, this sensor and the appropriate measurement system were improved concerning sensitivity and robustness. The sensor array was validated in several wind tunnel experiments with freestream velocities up to cruise flight conditions. In this context, instabilities with frequencies over 30 kHz could be verified for the first time. Based on this knowledge, a novel capacitive pressure sensor was designed, where a structured layer of silicone (PDMS) is used as dielectric and as spring element. This sensor was constructed on considerations concerning robustness, fabrication and energy consumption. The first test samples were manufactured using microtechnology and characterized statically and dynamically.


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    Titel :

    Mikrosensoren zur Transitionsmessung auf flexiblen Substraten


    Beteiligte:
    Riedl, Xaver (Autor:in)

    Erschienen in:

    Erscheinungsdatum :

    2011


    Format / Umfang :

    140 Seiten, Bilder, Tabellen, 157 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch





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