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Über dieses Buch

Dargestellt werden sowohl die "klassischen" als auch die modernen optischen Beobachtungsmethoden, die sich bei der Behandlung von Problemen in der Wärme- und Stoffübertragung bewährt haben: Schlieren-, Schatten- und Interferenzmethoden ebenso wie holographische Interferometrie, Zweiwellenlängen-Interferometrie und optische Tomographie. Theorie, Aufbau und Auswertungsmethoden werden beschrieben und an zahlreichen praxisbezogenen Anwendungsbeispielen erläutert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

I. Einleitung

Zusammenfassung
In dieser Abhandlung berücksichtigen wir nur solche “optische Methoden”, bei denen die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl zur Sichtbarmachung des Temperaturfeldes ausgenutzt wird. Dies führt zu einer natürlichen Begrenzung des Themas, wodurch zum Beispiel pyrometrische Messungen, obwohl zweifelsohne zum Gebiet der optischen Methoden gehörig, ausgeschlossen werden.
Ulrich Grigull, Franz Mayinger, Werner Hauf

II. Grundgesetze der Geometrischen Optik

Zusammenfassung
In diesem Abschnitt werden die für die Ausbreitung des Lichtes in einem Medium mit örtlich veränderlicher Brechzahl maßgeblichen Gleichungen vorgestellt; dabei haben wir der Theorie der geometrischen Optik den Vorzug gegeben. Eine optische Inhomogenität bezeichnet man mit einem aus der Glastechnologie stammenden Ausdruck als “Schliere”. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Brechzahl ist beispielsweise eine thermische Grenzschicht eine Schliere. Die Temperaturverteilung und damit auch die Brechzahlverteilung für eine laminare Temperaturgrenzschicht wird durch die bekannten Gesetze der Grenzschichtphysik beschrieben. In einer Schliere, die z.B. aus einem Turbulenzballen in einer aufsteigenden Rauchgasfahne besteht, ist diese Verteilung fast vollständig regellos. Beide Probleme lassen sich unter Verwendung optischer Methoden quantitativ untersuchen. Im ersten Falle kann verständlicherweise mehr Einzelinformation wie etwa die Temperaturverteilung gewonnen werden; im zweiten erhält man nur Integralwerte, beispielsweise die Enthalpie eines solchen Wirbels. Unsere Abhandlung wird sich eingehender mit thermischen Grenzschichten, als mit den an sich umfangreicheren Gebieten der Gasdynamik und der Ballistik befassen.
Ulrich Grigull, Franz Mayinger, Werner Hauf

III. Grenzschicht-Optik

Zusammenfassung
Wir betrachten jetzt einen Lichtstrahl, der ein Brechzahlfeld mit örtlich veränderlichem n und grad n durchläuft. R bezeichnet den Krümmungsradius und α ist der Winkel zwischen Lichtstrahl und grad n.
Ulrich Grigull, Franz Mayinger, Werner Hauf

IV. Theorie der Schattenbild- und Schlierenmethoden

Zusammenfassung
Die vollständige Information über ein optische Inhomogenitäten enthaltendes Untersuchungsgebiet rührt von der Verformung einer ursprünglich ihrer Form nach bekannten Wellenfront beim Durchlaufen dieses Gebietes her (siehe Abschnitt II,B). Die Form der deformierten Wellenfront in jedem Punkt des Beobachtungsgebietes soll unter Verwendung optischer Methoden ermittelt werden, welche ganz natürlich in zwei Gruppen zerfallen:
(1)
Schattenbild- und Schlierenmethoden (Verfahren, die sich auf Intensitätsmessung und Lichtstrahlidentifikation stützen);
 
(2)
Interferenzmethoden (Aufzeichnung der Phasendifferenzen).
 
Ulrich Grigull, Franz Mayinger, Werner Hauf

V. Theorie der Interferenz-Verfahren

Zusammenfassung
Im Vergleich mit den Schatten- und Schlierenmethoden liefern die Interferenz-verfahren mehr Detailinformation über das Untersuchungsmodell (welches im folgenden als Phasenobjekt bezeichnet wird) und lassen höhere Genauigkeit zu. Trotz erhöhter Komplexität und Kostspieligkeit sowie des meist beschränkteren Meßbereiches im Vergleich mit den Schatten-und Schlierenverfahren finden sie bevorzugt Anwendung bei quantitativen Untersuchungen.
Ulrich Grigull, Franz Mayinger, Werner Hauf

VI. Anwendungsbeispiele und deren Auswertung

Zusammenfassung
Die folgenden Beispiele behandeln hauptsächlich Grenzschichtprobleme im Bereich der natürlichen Konvektion und der Mischkonvektion; sie wurden ausschließlich mittels interferometrischer Methoden (MZI) durchgeführt, denen deshalb bei diesen Anwendungen große Bedeutung zukommt. In den folgenden Darstellungen bezeichnen kleine, Kreise Interferenzmaxima und schwarze Punkte Interferenzminima. Längen sind unter Berücksichtigung des Aufnahmemaßstabes in wahrer Größe wiedergegeben.
Ulrich Grigull, Franz Mayinger, Werner Hauf

VII. Holographie und holographische Interferometrie

Zusammenfassung
Die bisher beschriebenen interferometrischen Methoden haben den Nachteil, daß sie entweder für geringe Dichtegradienten im zu untersuchenden Raum zu unempfindlich sind, wie z.B. das Schlierenverfahren, oder, daß sie einen sehr aufwendigen Versuchsaufbau benötigen, mit einer in der geforderten optischen Qualität schwer verwirklichbaren Vergleichskammer, wie das Mach-Zehnder-Interferometer. Ein weiterer, meist nicht so bewußt werdender Nachteil ist, daß sie mit Linsensystemen arbeiten, die auf eine bestimmte Ebene fokussiert werden müssen, und daß in der Regel nur die unmittelbare Umgebung dieser Ebene genügend scharf abgebildet wird. Bei vielen Untersuchungen zum Wärme- und Stoffübergang ist von vornherein nicht bekannt, wo im Versuchsraum sich die am meisten interessierenden Phänomene abspielen, und es kann deshalb leicht sein, daß bei der optischen Justierung der falsche Bereich ausgewählt wird, nämlich einer, der nicht genügend zur Klärung der interessierenden Phänomene beiträgt. Das Interferogramm der Mach-Zehnder-Anordnung läßt nur die exakte Auswertung des justierten Bereiches zu.
Ulrich Grigull, Franz Mayinger, Werner Hauf

VIII. Anhang

Zusammenfassung
Nach Gl. (64a) müssen die die Referenz- und Meßwege betreffenden Matrizen gleich sein:
bezeichnet die einer Doppelspiegel-Reflexion entsprechende Drehmatrix. Gl. (64a) fordert:
$$ \bar D = \bar D' $$
bzw.
Ulrich Grigull, Franz Mayinger, Werner Hauf

Backmatter

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