Workshop "Meßtechnik für stationäre und transiente ...

gitalisiert und danach in einem Rechner weiterbearbeitet. Da sowohl die Blasen als auch das sie
umgebende Wasser optisch durchsichtig sind, lassen sich aufgrund von Lichtbrechung nur die
Ränder der Blasen fotographisch mit ausreichender Genauigkeit erfassen, Bild 2 (links) . Durch
stufenweise Erhöhung des Bildkontrastes ist es möglich, diese Ränder hervorheben bzw. die
Hintergrundinformationen auszublenden. Das so bearbeitete Bild enthält im Prinzip nur noch
die hellen Ränder der Blasen vor einem sonst schwarzen Hintergrund, Bild 2 (Mitte) . Anschlie-
ßend werden die von den Blasenkanten umschlossenen Flächen für jede einzelne Blase integriert
und die relative Position des jeweiligen Flächenschwerpunkts ermittelt, Bild 2 (rechts) . Mit
Hilfe von Objekterkennungsalgorithmen können dann die jeweiligen Blasen über mehrere Bilder
verfolgt werden.
Die relative Volumenzunahme bzw. die Vergrößerung der ermittelten Bildfläche einer Blase
in Abhängigkeit des statischen Wanddrucks korrespondiert mit der thermodynamischen Zu-
standsänderung des in ihr enthaltenen Gases. Im Beruhigungsraum vor der Meßstrecke ruht
quasi die Strömung, so daß die mittlere Veweilzeit einer Blase hinreichend lang ist und davon
ausgegangen werden kann, daß sich dort das Wasser und die Luft im thermischen Gleichge-
wicht befinden, d. h. beide Phasen haben die gleiche Temperatur. Beim Einströmen in die
Spaltmeßstrecke ändert sich wegen des BeschleunigungsdruckabfaIIs sowie des parallel auf-
tretenden Stoßverlusts der auf ein Fluidelement wirkende Druck sehr rasch. Daher wird hier
davon ausgegangen, daß die Blase in dieser kurzen Zeit keine Wärme mit der umgebenden
Flüssigkeit bzw. den Spaltwänden austauscht, d. h. die Expansion erfolgt adiabat. Ausge-
hend von diesem Anfangszustand Iäßt sich die folgende Zunahme des Blasenvolumens mit
Hilfe der Filmaufnahmen bestimmen. Da mit abnehmendem Blasendurchmesser die spezifi-
sche Oberfläche bzw. die volumenbezogene Grenzfläche zwischen den Phasen zunimmt, dürfte
der Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und kleinen Blasen erheblich schneller erfolgen
als bei größeren Blasenradien. Speziell in diesem Fall könnten daher Abweichungen zwischen
experimentell bestimmtem Blasenvolumen und dem unter der Annahme eines unmittelbaren
Temperaturausgleichs mit der Flüssigkeit berechneten auftreten.
Zur Ermittlung der Geschwindigkeit einzelner Blasen wurde aufgrund ihrer Expansion die trans-
latorische Verschiebung ihres volumetrischen Schwerpunkts bzw. des Flächenschwerpunkts ih-
rer fotographischen Seitenfläche an der durchsichtigen Spaltwand betrachtet. Dies ist streng
genommen nur dann zulässig, wenn die Gasdichte in der Blase homogen verteilt ist, d. h.
Blaseninnendruck und -temperatur im gesamten Volumen identisch sind, was hier näherungs-
weise angenommen wird. Aus der Verschiebung dieses Schwerpunkts in aufeinander folgenden
Bildern Iäßt sich bei bekanntem Zeitabstand die Blasengeschwindigkeit ermitteln.
Gemäß Y. Sato et al. [3] kann der volumetrische Gas- bzw. Luftgehalt ebener Blasenströmun-
gen bei niedrigen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten bzw. bei infolge der Oberflächen-
kräfte glatten Blasenrändern aus der fotographisch ermittelten Blasenbildfläche im Verhältnis
zur Gesamtbildfläche bestimmt werden. Damit ergibt sich für diesen Fall unter Verwendung
der Definitionsgleichung des Schlupfes eine (theoretische) Möglichkeit der Überprüfung des
ermittelten Schlupfes.
Experimentelle Ergebnisse
tnfolge des Druckabfalls in der Meßstrecke expandieren die Blasen bevorzugt in Strömungs-