Strömungsmanipulation durch fokussierten Ultraschall : Flow manipulation by focused ultrasonic

Abstract

In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zur Strömungsmanipulation durch fokussierte akustische Wellen vorgeschlagen, experimentell untersucht und dessen technische Machbarkeit verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass verschiedenartige Schallfelder, erzeugt mit zwei gegenüberstehenden Ultraschallarrays sowie mit einem flächigen Array aus einer Ebene heraus, unterschiedliche Strömungseinflüsse besitzen. Zum direkten Vergleich wurden diese hoch aufgelöst zweidimensional mit einem eigens aufgebauten Nadelmikrofon vermessen. Für die Strömungsmessungen wurden sowohl die Hitzdrahtanemometrie als auch eine selbst entwickelte Variante der Hintergrundschlierenfotografie verwendet. Dabei wurden die „inneren“ Strömungen bzw. Eigenschaften der verwendeten Schallfelder ohne eine äußere Strömung untersucht. Radial sich ausbildende Strömungen einer stehenden akustischen Welle konnten identifiziert, charakterisiert und diskutiert werden. Deren Auswirkungen auf eine äußere Strömung inklusive Ein- und Ausschwingverhalten wurden unter Variation verschiedener Parameter, wie z. B. Strömungsgeschwindigkeit, Schalldruck und -einfallswinkel sowie unter Vorhandensein einer Kármánschen Wirbelstraße, untersucht. Die beobachteten Strömungseffekte werden in Bezug auf akustisch-induzierte Strömungen diskutiert. Für eine Übertragbarkeit auf praktische Anwendungen, wie z. B. Tragflächen, wurden mikrotechnische Aktoren auf Basis von Silizium und Aluminiumnitrid im Array hergestellt und untersucht.

In this thesis, a novel approach for flow manipulation by using focused acoustic waves is being proposed and experimentally investigated. Its technical feasibility was verified. It is shown that different sound fields generated by two opposing ultrasonic arrays or, alternatively, by a flat array from one plane exhibit different flow influences. For direct comparison, these were measured two-dimensionally in high resolution with a custom-made setup of a needle microphone. For flow measurements, both hot-wire anemometry and a self-developed variant of background schlieren photography were used. The properties of the different sound fields without an external flow were investigated, allowing the identification, characterization and discussion of radially forming flows of a standing acoustic wave. Finally, the effects of such acoustically induced flows on an external flow including their transient and decay behavior were investigated. Several parameters were varied, including flow velocity, sound field, pressure, angle of incidence, and the presence of a Kármann vortex street. The observed flow effects are being discussed with respect to acoustically induced flows. For demonstrating the transferability to practical applications, such as airfoils, micromechanical actuators based on silicon and aluminum nitride were manufactured and investigated in an array.