Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum chemischen Aufzeichnen von Grenzschichtströmungen auf anodisch oxidierte unverdichtete Aluminiumoberflächen.

Für viele Bereiche der Technik ist das Erfassen der Grenzschichtströmungen von Bedeutung. Insbesondere in Maschinen-, Apparate- und Gerätebauteilen sowie Kühl-und Heizaggregaten als auch an Wandungen von Schiffen, Wasserbauten, Flüssigkeitsbehältern u.dgl. sind Ermittlungen von Grenzschichtströmungen von Interesse. Das Strömungsgeschehen und dessen Ermittlung gibt auch Auskunft über die Grenzschichtdicke und den Wärme- und Stoffübergang. Hierfür eingesetzte Methoden unter Verwendung von Meßsonden, z.B. Laseranemometer, durch Fixieren einer Vielzahl von Wollfäden und Photographieren derselben während der Beströmung, durch Abtragen oder Mitziehen von löslichen oder zähflüssigen Anstrichen, durch chemische Veränderung von Oberflächenschichten bzw. Oberflächenbeschichtungen mittels in die strömende Flüssigkeit eingebrachter geeigneter Chemikalien, z.B. Schlierenmethode, sind sehr aufwendig.

Es ist ferner bekannt, Grenzschichtströmungen in Gasen dadurch aufzuzeichnen, daß eine anodisch oxidierte unverdichtete Aluminiumoberfläche von einem mit reaktiven sauren oder basischen chemischen Agenzien vermischten Luftstrom angeströmt und die durch den Gasstrom unterschiedlich veränderte Schicht eingefärbt wird (DE-PS 2.133.835).

Aufgabe der Erfindung ist, Grenzschichtströmungen in strömenden wäßrigen, nichtwäßrigen und öligen Medien aufzuzeichnen und auf den beströmten Oberflächen lokal sichtbar zu machen, um Informationen über das Strömungsgeschehen, die Beströmung von Oberflächen, die Grenzschichtdicke, den Wärme- und Stoffübergang für die Prüfung und Optimierung von Strömungsvorgängen für strömungstechnisch interessierende Objekte wie z.B. Schiffe und Motoren zu gewinnen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf eine nicht oder nicht vollständig verdichtete anodisch oxidierte Aluminiumoberfläche einen in die Eloxalschicht einlagerbaren und adsorbierbaren Farbstoff und mindestens eine nicht in die Eloxalschicht einlagerbare oder adsorbierbare in Wasser oder organischen Medien lösliche Substanz enthaltend aufgebracht und mit einer farblosen oder gefärbten Flüssigkeit beströmt wird und die durch die Grenzschichtströmung in die kapillaraktive Eloxalschicht eingeschriebene Verfärbung und/oder Konturierung entwickelt wird.

Geeignete Aluminiumoberflächen können erfindungsgemäß aus einem anodisierfähigen Aluminiumwerkstoff, einem mit anodisierfähigen Aluminium beschichtbaren Material oder einem mit einer selbstklebenden, anodisierbaren Aluminiumfolie beklebten oder überzogenen Material bestehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach durchführbar bei einem verhältnismäßig geringen zeitlichen und technischen Aufwand. Es erlaubt eine direkte Aufzeichnung der Grenzschichtströmungsverhältnisse. Die Deutung und Auswertung ist durch die konturenscharfe Aufzeichnung leicht vorzunehmen. Es tritt insbesondere kein Verzerren in der Chemigraphieaufzeichnung ein. Es können auch Intensität und Strömungsrichtung auf den beströmten Oberflächen lokal sichtbar gemacht werden. Von besonderem Vorteil ist die Möglichkeit der Durchführung des Verfahrens nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei niedrigeren Temperaturen (bis -20°C) und vor allem bei höheren Temperaturen bis ca. 250°C und daß auf sowohl glatten als auch rauhen Oberflächen aussagekräftige Grenzschichtströmungschemigraphien erhalten werden können. Auch die Profilierung des zu untersuchenden Modells spielt keine Rolle, da die Eloxalschicht mit der Farbstoffeinlagerung selbst in spitzen Winkeln und an Rundungen hergestellt werden kann. Durch die Verdichtungsmöglichkeit der chemigraphierten Farbeloxalschicht weisen die Grenzschicht auf Zeichnungen in der Farbintensität nahezu unbegrenzte Haltbarkeit auf. Die exakt einzustellenden Bedingungen zur Herstellung der Eloxalschichtdicke und der Farbstoffkonzentration gewährleisten eine hohe Reproduzierbarkeit der "Trägersubstanzkonzentration" sogar bei kurzen Expositionszeiten. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit auch noch bei extrem hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten die Grenzschichtströmungen beispielsweise eines Flügelrades in einer Strömungsvorrichtung aufzuzeichnen, da ein Abplatzen oder Wegschleudern der präparierten Schicht durch die auftretenden Fliehkräfte nicht eintritt. Selbst nieder- und hochviskose Flüssigkeiten führen noch zu konturenscharfen Chemigraphien.

Als zu chemigraphierende Oberflächen, kapillaraktive Eloxaloberflächen, sind Bauteile und Formstücke aus vorzugsweise farblos anodisieriähigen A1-Werkstofien, damit eine Beeinträchtigung der Farbkontraste ausgeschlossen wird, vorzugsweise jedoch klebefähige Folien und Bleche aus Reinaluminium in Dicken von 20 µm bis zu einigen Millimetern geeignet. Bei strömungstechnisch interessierenden Objekten, deren Oberflächen nicht aus farblos anodisierfähigen Al-Werkstoffen bestehen, stellt man Modelle aus solchen Al-Werkstoffen (z.B. aus Raffinal®, AlMg3 oder AlMgSi 0,5) her oder überzieht deren Oberflächen oder zumindest die strömungstechnisch interessierenden Oberflächenbereiche mit farblos anodisierfähigem Aluminium, Al-Folien oder Al-Blechen. Handelt es sich um Objekte aus elektrisch leitfähigen Materialien, dann kann deren Oberfläche mit Hilfe des Galvanoaluminierverfahrens mit dem vorzüglich und farblos-transparent anodisierbaren Galvano-Aluminium (Sigal®-Oberfläche) beschichtet werden. Die Galvano-Aluminium-Eloxal-Schicht-Oberflächen sind sehr homogen und gleichmäßig einfärbbar, frei von Texturen und mit 4000 N/mm²HV vorteilhaft hart, d.h. für strömungstechnisch stark oder sogar abrasiv beanspruchte Oberflächen besonders geeignet. Die Galvano-Aluminium-Eloxal-Beschichtung von Bauteilen und Formstücken bietet sich vorzugsweise dann an, wenn die zu chemigraphierenden Oberflächen dreidimensional gekrümmt sind (z.B. Propellerblatt einer Schiffsschraube oder Oberfläche einer Rühr- oder Förderschnecke) und das formgetreue Überziehen bzw. Bekleben mit Al-Folie Schwierigkeiten bereitet. Weitere geeignete Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen oder Formstücken aus Aluminium sind z.B. Vakuumbedampfen, Flammspritzen und Tauchaluminieren, wenn die hierdurch erhaltenen Aluminiumbeschichtungen gleichmäßig hinreichend dicht und dick und vorzugsweise farblos anodisierbar sind.

Geeignete strömende Medien sind z.B. Wasser und wäßrige und organische Lösungen sowie ölige und pastöse Flüssigkeiten.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise auf nach dem Gleichstrom-Schwefelsäure-Verfahren (GS-Verfahren) hergestellten Eloxalschichten im Bereich von 1-25 gm, vorzugsweise 8-12 µm Dicke, Grenzschichtströmungen mittels charakteristischer Farbstoffadsorption aufgezeichnet werden.

Hierzu kann gemäß einer Verfahrensweise A erfindungsgemäß die Flüssigkeit homogen mit einem von der farblosen Eloxalschicht adsorbierbaren Farbstoff angefärbt werden. Es findet bei ruhender Flüssigkeit ein langsames und auf allen (von der eingefärbten Flüssigkeit berührten) Oberflächenbereichen gleichmäßiges Eindiffundieren und Adsorbieren von Farbstoff statt. Bei strömender Flüssigkeit hingegen wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Grenzschichtdicke und Beströmungszeit mit abnehmender Grenzschichtdicke mehr Farbstoff adsorbiert und dadurch ein charakteristisches Bild der lokalen Grenzschichtströmung direkt aufgezeichnet. Weil sich die Grenzschichtströmung gewissermaßen selbst in die kapillaraktive Eloxalschicht einschreibt, kann ein solches Aufzeichnungsverfahren als "Eloxal-Farbschicht-Chemigraphie von Grenzschichtströmungen" bezeichnet werden.

Vor allem bei nichtwäßrigen Flüssigkeiten hat sich eine Verfahrensweise B, die negative Verfahrensweise zur Verfahrensweise A,besonders bewährt. Hierzu wird erfindungsgemäß die Eloxaloberfläche homogen eingefärbt und der strömenden Flüssigkeit ein den Farbstoff entfärbendes bzw. chemisch sichtbar veränderndes Agens zugesetzt. Mit abnehmender Grenzschichtdicke wird das Agens stärker und rascher wirksam. Es entsteht ein Eloxal-Farbschicht-Chemigraphie-Negativ.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform C des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sowohl bei eingefärbter als auch bei nicht eingefärbter unverdichteter Eloxaloberfläche durch das strömende Medium ein Verdichtungsvorgang herbeigeführt werden, der zunächst zu einem latenten Chemigraphiebild führt, das durch einen Entwicklungsvorgang,einmal durch Ätzkontrastierung zum anderen durch Einfärben,sichtbar wird.

Diese Verfahrensweise eignet sich besonders für heiße hydroxylionenhaltige Flüssigkeiten. Überall dort wo die heiße hydroxylionenhaltige Flüssigkeit/eingefärbte Eloxalschicht beströmt, wird der Farbstoff durch Verdichten der Eloxalschichtfeinstruktur kochfest eingeschlossen. Aus den nicht oder nur mäßig von der heißen Flüssigkeit beströmten Oberflächenbereichen kann der Farbstoff durch anschließendes Behandeln mit verdünnten Agenzien, z.B. verdünnter Salpetersäure oder Schwefelsäure, herausgelöst werden. Dadurch entsteht ein besonders kontrastreiches Chemigraphiebild der Grenzschichtströmung (Ätzkontrastierung).

Auch bei nicht eingefärbten Eloxalschichtoberflächen ist diese Verfahrensweise mit heißen hydroxylionenhaltigen Flüssigkeiten anwendbar, wobei dann die nicht oder nur mäßig beströmten Oberflächenbereiche beim anschließenden Einfärben Farbstoff adsorbieren und sich dadurch von den verdichteten Oberflächenbereichen, die keinen Farbstoff mehr aufnehmen können, gut sichtbar abheben.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch die lokale Richtung und unter bestimmten Bedingungen auch die Geschwindigkeit der Grenzschichtströmung und deren zeitliche Fortentwicklung aufgezeichnet werden. Es wird auf die Oberflächen aus kapillaraktiver Eloxalschicht der adsorbierbare Farbstoff in Form von Farbstoffpunkten, vorzugsweise regelmäßig mit Hilfe.der Siebdrucktechnik, beliebig dicht oder aufgelockert unmittelbar auf der Eloxalschichtoberfläche - gewissermaßen in den Grenzschicht - deponiert. Der Farbstoff kann so ausgewählt sein, daß ihn die strömende Flüssigkeit auflöst oder nicht auflöst. In letzterem Falle wird dann durch einen lösenden Zusatz zur strömenden Flüssigkeit die Auflösung des Farbstoffes herbeigeführt. In jedem Falle werden die kleinen punktförmigen Farbstoffdepots im Maße der lokalen Grenzschichtströmung aufgelöst, wobei überraschenderweise unmittelbar Farbstoff aus diesem kleinen Farblösungsvolumen, das von der Grenzschichtströmung richtungsgetreu mitgeführt wird, in die kapillaraktive Eloxalschicht deutlich sichtbar adsorbiert wird. Von jedem von der Grenzschichtströmung erfaßten Farbstoffpunkt geht ein Farbschweif aus, der sich sofort in die Eloxalschicht chemigraphisch "einschreibt" und damit den lokalen Verlauf der Grenzschichtströmung aufzeichnet und sichtbar macht. Die chemisorptive Bindung der Farbstoffmoleküle in der Eloxalschichtfeinstruktur, beispielsweise Näpfchen, Röhren, ist so stark, daß die Farbschweife von der weiter darüberhin strömenden Flüssigkeit nicht ausgewaschen werden und die pointillisierte Grenzschichtströmungs-Chemigraphie stabil und dauerhaft ist. Bei Expositionszeiten von wenigen Minuten bis herab in den Sekundenbereich können Grenzschichtströmungsverläufe richtungsgetreu aufgezeichnet und fixiert werden.

Bei dieser als "Pointillisierungstechnik" bezeichneten Verfahrensweise ist eine Relation zwischen Farbschweiflänge und lokaler Geschwindigkeit der Grenzschichtströmung vorhanden. Ein einfacher Zusammenhang scheint aber nur bei laminarer Strömung und innerhalb bestimmter Geschwindigkeitsbereiche zu bestehen.

Gilt es die Strömungsänderung bzw. einen zeitlich später eintretenden anderen Strömungsverlauf durch Aufzeichnung des Grenzschichtströmungsverlaufes zu erfassen, so hat sich die nachfolgend als "Doppelpointillisierung" bezeichnete Verfahrensweise besonders bewährt. Sie ermöglicht auch das Ausschalten bzw. Zurückdrängen von Anlaufeinflüssen auf die Grenzschichtströmungschemigraphie stationärer Flüssigkeitsströmungen. Gemäß der Erfindung wird eine nach dem Pointillisierungsverfahren auf der Eloxaloberfläche appliziertes Farbstoff-Punktraster durch eine farblose, nicht-chemigraphierende langsam oder zunächst nicht lösliche Substanz, die über die ganze Oberfläche in hinreichender Schichtdicke aufgebracht werden kann, mit einem zweiten Sieb gleicher Punktfolge, jedoch mit einem etwas größeren Punktdurchmesser darüber gedruckt. Bei solchermaßen präparierten Eloxalschichtoberflächen beginnt das Chemigraphieren der Grenzschichtströmung erst nach dem Auflösen der übergedruckten Substanz, das heißt Anlauf- oder Einsenkprobleme können ausgeschaltet werden. Bei nicht löslichen Substanzen wird die Auflösung im gewünschten Zeitpunkt durch den Zusatz kleiner Mengen eines auflösenden Stoffes in das Flüssigkeitsvolumen herbeigeführt. Da auch dieser Auflösungsvorgang im Maße der lokalen Grenzschichtströmung stattfindet, tritt keine störende Beeinflussung der Grenzschichtströmungs-Chemigraphie ein.

Auch diese und eine weitere Verfahrensweise nützen das Prinzip des an sich bekannten Siebdruckes. Diese weitere Ausführungsform F des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit besonderem Vorteil bei Substanzen eingesetzt, die an feuchter Luft wenig beständig sind. Es werden hierzu erfindungsgemäß auf eine homogen eingefärbte Eloxalschichtoberfläche vorzugsweise mittels Siebdrucktechnik Substanzpunkte aus z.B. reduzierenden Stoffen wie z.B. Natriumdithionit, Na₂S₂0₄ oder Hydrazinsulfat N₂H₆S0₄ oder oxidierenden Stoffen wie z.B. Ammoniumpersulfat (NH₄)₂ S₂0₈, Kaliumpersulfat K₂S₂O₈, Natriumperborat NaB⁰₂.^H₂⁰₂*3 ^H₂0 oder Na₂B₄O₇.H₂O₂.9H₂O Perborax oder chemisch den Farbstoff sichtbar verändernde Stoffe (nitrierende, bromierende oder zersetzende Stoffe) aufgedruckt, die dann von der strömenden Flüssigkeit gelöst und gemäß dem Verlauf der Grenzschichtströmung den adsorbierten Farbstoff entfärben oder sichtbar verändern.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sind zur Einfärbung der Eloxalschicht bzw, des Flüssigkeitsmediums wasserlösliche, in organischen Lösungsmitteln lösliche und öllösliche Farbstoffe, insbesondere die im Handel erhältlichen Aluminiumfarbstoffe geeignet, z.B. Alizarin-, Indanthren-,Anthrachinon-, Azo-, Indigo- oder Chinaldinfarbstoffe.

Für die Anwendung der "Pointillisierungstechnik" werden für wäßrige Strömungsmedien die gleichen Farbstoffe verwendet. Bei nichtwäßrigen Medien werden bevorzugt im Handel erhältliche Farbpasten (Aluprint®) oder käufliche Farbstoffe (z.B. Savinyl®) eingesetzt. Für die öligen Medien eignen sich ebenfalls bevorzugt die bereits erwähnten Aluprint®-Pasten oder die Farbstoffe Sudanblau^®, -rot usw. Um jedoch diese teils pulverförmigen Farbstoffe einzusetzen, müssen sie zur Anwendung der Siebdrucktechnik in einem pastösen Zustand überführt werden.

Vielfach hat sich eine Paste aus mehreren Komponenten als besonders günstig erwiesen, in der die eine Komponente die Funktion der eigentlichen Druckpaste mit passender Konsistenz und Oberflächenspannung sowie ausgezeichneterHaftfestigkeitsvermittlung für das Farbstoffdepot, vorzugsweise das siebgedruckte Farbstoffdepot hat, während die andere Komponente den eigentlichen Chemigraphiefarbstoff darstellt, der von strömenden Flüssigkeitsmedien gelöst und aus dem gefärbten Grenzschichtströmungsvolumen in die kapillaraktive Eloxalschicht chemisorbiert und adsorbiert wird. Zur Einstellung der erforderlichen Viskosität wird noch ein Verdünner, vorzugsweise Methyläthylketon, zugesetzt.

Bei Beströmung mit z.B. nichtwäBrigen oder öligen Strömungsmedien, bei denen der Chemigraphiefarbstoff nicht unmittelbar löslich ist, werden dem Strömungsmedium geringe Mengen eines organischen, jedoch mischbaren Lösungsmittels, beispielsweise Aceton, Dichlormethan, Toluol oder Xylol zugesetzt.

Zur Verstärkung des Chemigraphie-Aufzeichnungseffektes können den Farbstoff- und Agenzienpasten auch noch im UV-Licht aufleuchtende oder fluoreszierende Stoffe beigemischt werden, in Sonderfällen radioaktiv markierte Stoffe, die nach dem Chemigraphieren durch Auflegen einer strahlungsempfindlichen Folie auf die chemigraphierten Eloxalschicht in an sich bekannter Weise durch längere Expositionszeiten auch noch sehr verdünnte, in minimaler Menge adsorbierte Stoffe und damit den Verlauf der Grenzschichtströmung sehr empfindlich sichtbar machen. Auch geeignete Kombinationen photographisch nutzbarer Stoffe erwiesen sich als vorteilhaft.

Für die erfindungsgemäße Verfahrensweise durch Pointillisieren mittels Siebdruck unter Verwendung eines Rasters, beispielsweise eines Rasters mit Punkt-, Strich- oder Kreisrasteröffnungen, wobei gemäß der Doppelpointillisierung mit zwei Rastereinheiten gearbeitet wird, dessen Öffnungen beispielsweise die punkt-oder strichförmig im zweiten Raster etwas größer als im ersten sind (Fig. 4 und 5), werden erfindungsgemäß Abdeck- und Schutzpasten verwendet, die im Flüssigkeitsmedium hinreichend langsam löslich sind, mit dem Farbstoff nicht reagieren und in die kapillaraktive Eloxalschicht `weder adsorbierbar noch einlagerbar sind. Sofern die Paste im Flüssigkeitsmedium unlösliche Bestandteile enthält, müssen diese durch Zugabe kleinster Mengen an Lösungsvermittlern auflösbar sein. Druckpasten aus Rohrzucker (Saccharose), Methylcellulose und Wasser oder Gelatine, Methylcellulose und Wasser haben sich als geeignet erwiesen. Besonders geeignete Pastenmischungen bestehen aus 50 Gewichtsteilen Saccharose, 4 Gewichtsteilen Methylcellulose und 46 Gewichtsteilen Wasser oder 2-3 Gewichtsteilen Gelatine, 0,5 Gewichtsteilen Methylcellulose und ca. 60 Gewichtsteilen Wasser.

Nach dem Trocknen der bedruckten Eloxalschicht-Aluminiumfolien oder -aluminiumbleche an reiner Luft bei Raumtemperatur in etwa 2 Stunden oder im Trockenschrank bei 50°C in ca. 30 Minuten sind die. erfindungsgemäßen Chemigraphie-Materialien für Grenzschichtströmungsaufzeichnungen einsetzbar. In Polyäthylenfolientaschen eingepackt bzw. eingeschweißt sind sie bei Raumtemperatur in trockener Atmosphäre mindestens 1 Jahr haltbar und gut auf Vorrat zu halten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit besonderem Vorteil zum Aufzeichnen von Grenzschichtströmungen eingesetzt, die in Kühl- und Heizaggregaten auftreten sowie in Umlauf-, Galvanisier- und Spülbädern. Die Aufzeichnungen erlauben z.B. die Optimierung der Wasserkühlung von Flachbaugruppen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.

a) Herstellung einer farblosen Aluminiumeloxalschichtoberfläche

• 1. Ein Zylinder (oder Hohlzylinder) mit den Abmessungen 55 mm hoch 60 mm Durchmesser aus AlMg3 gefertigt, dessen Oberflächen im Strömungskanal chemigraphisch untersucht werden sollen, wird im stabilisierten Perchloräthylen-Dampfbad entfettet, im NaOH-Bad einige Sekunden abgeätzt und seine Oberfläche in Spül- und Beizbädern, z.B. aus verdünntem HN0₃ gereinigt. Unmittelbar anschließend wird dann der gereinigte Zylinder (oder Hohlzylinder) in einem Anoden-Rahmen aus Titan-Werkstoff fixiert und kontaktiert und seine Oberfläche bei 1,5 A/dm² Stromdichte und von 0 bis 17 V ansteigender Badspannung in 18°C kalten Gleichstrom-Schwefelsäure-Eloxierbad (GS-Bad) ca. 30 min anodisch oxidiert.
• 2. Die dreidimensional gekrümmte Oberfläche einer Modellschiffsschraube aus Stahl, Messing- oder Bronze wird mit einer ca. 20 pm dünnen Galvano-Aluminiumschicht überzogen und die sehr homogene silberhelle Galvano-Aluminiumschicht dann im GS- oder GSX-Bad ca 15 µm stark anodisiert.
• 3. Auf abwickelbare Bauteiloberflächen werden selbstklebende Aluminiumfolienstücke ca. 0,1 mm stark aufgebracht, die zuvor durch kurzzeitiges Eintauchen in verdünnte Natronlauge, Wasser und entionisierten Wasser gereinigt worden sind. Zum Anodisieren werden die Stücke dann in ein GSX-Bad eingesenkt und bei 1,5 A/dm² Stromdichte, 22 Volt Badspannung und 13°C 40 min anodisch oxidiert.

b) Einfärbung einer Aluminiumeloxalschicht

• 1. Ein nach dem Verfahren a1) hergestelltes Muster wurde bei einer Badtemperatur von 20 C 5 min eingefärbt in einem Färbebad enthaltend 3 g/1 "Aluminiumblau®". Nach ca. 0,5minütigem Spülen in Wasser von 20° zeigen die Zylinderoberflächen eine allseitig homogene blaue Einfärbung und können nach dem Trocknen bei 50°C oder Tauchspülen in Aceton und Trockenblasen mit ölfreier Preßluft sofort für Chemigraphieversuche eingesetzt werden. In Polyäthylenfolien eingeschweißt und bei Raumtemperatur aufbewahrt sind die eingefärbten Eloxaloberflächen praktisch über 12 Monate kapillaraktiv und einsatzfähig.
• 2. Ein nach dem Verfahren a3) einseitig mit einer ca. 15 µm dicken Eloxalschicht überzogenes und mit Aluminiumfolie beschichtetes Werkstück wird unter Verwendung und Einsatz eines Färbebades

Auf anodisierte Aluminiumstücke oder mit Aluminiumfolie bestückte anodisierte Teile mit unverdichteten ungefärbten oder gefärbten Eloxalschichten wird mittels Siebdruck ein Muster hergestellt, vorzugsweise mit regelmäßig verteilten Punkt-, Strich-, Balken- oder Kreisrastern, vgl. Fig. 1a, 1b, 2a, 2b. Solche Raster und Anordnungen sind im Hinblick auf das damit auszudruckende Farbstoffvolumen je Rastereinheit besonders vorteilhaft anwendbar für die Grenzschichtströmungs-Chemigraphie in Strömungskanälen, wo eine Hauptströmungsrichtung vorgegeben ist und höhere Strömungsgeschwindigkeiten (Balkenstruktur) zu erwarten sind. Der aufzulösende Farbstoffvorrat je Rastereinheit ist bei Strich- und Balkenstrukturen größer als bei Punktrastern. Eine weitere Möglichkeit,das lokale Farbstoffvolumen bzw. Farbstoffdepot zu erhöhen und von Vorzugsrichtungen frei zu sein, eröffnen Drucksiebe mit Kreisrasteranordnungen, wie sie die Fig.3a u.3b zeigen. Es können auch Raster aus Dreiecken (mit Spitze in Hauptströmungsrichtung), langgezogenen Rauten oder Quadraten u.dgl. in vorteilhafter Anordnung für das Bedrucken von kapillaraktiven Eloxalschichtoberflächen verwendet werden.

Die mit der geeigneten Lochstruktur versehenen Drucksiebe werden nun im Siebdruckrahmen in einem Abstand von 1-3 mm über der Eloxalschichtoberfläche der Al-Folie oder des Al-Bleches straff eingespannt und mit den Farbstoffpasten oder Agenzienpasten beaufschlagt. Mittels einer Gummirackel wird der Siebdruck der Farbstoffpasten auf die unverdichtete trockene Eloxalschichtoberfläche vollzogen.

Die Rastereinheit aus Farbstoff- oder Agenzienpasten enthalten je Rasterstruktur praktisch gleichgroße Menge an adsorbierbaren Farbstoff bzw. chemisch reagierenden Agenzien in praktisch gleicher räumlicher Form (Spitzkegel, Halbkugel, Wall etc.), so daß über die ganze pointillisierte Eloxalschichtoberfläche lokal überall dieselben stofflichen und geometrischen Voraussetzungen vorgesehen sind. Dies gilt auch für die nach dem Siebdrucken durch sorgfältiges und gleichmäßiges Trocknen erhaltenen lagerfähigen pointillisierten Chemigraphie-Materialien.

Auf eine gemäß a3) vorbehandelte Aluminiumfolie wird ein Zylinder senkrecht in einen mit Wasser gefüllten Strömungskanal gestellt bei Verwendung von

Den Grenzschichtströmungsverlauf in der Nachbarschaft des Zylinders zeigt Fig. 6. Man sieht deutlich den schalenförmigen Aufbau des sich an der Vorderseite des Zylinders als Widerstandskörper aufstauenden Flüssigkeitsmediums und das durch Wirbelbildung verursachte "Totwasser"-Gebiet an der Rückseite des Zylinders als hervorstechendste Charakteristika des Grenzschichtströmungsverlaufes.

Ein gemäß a1) beschichteter Zylinder auf nach a3) beschichtete Aluminiumfolie wird senkrecht in einem mit Öl (Paraffin) gefüllten und mit Aluprint-Marineblau® (5 g/1), gelöst in Methyläthylketon, eingefärbtes Medium in den Strömungskanal eingebracht. Die Temperatur der strömenden Flüssigkeit beträgt 70°C, die Strömungsgeschwindigkeit ca. 8 cm/sec und die Expositionszeit 8 min. Fig. 7 zeigt den Grenzschichtströmungsverlauf in der Nachbarschaft des Zylinders. Man sieht deutlich, daß auch in öligen Flüssigkeiten und bei höheren Temperaturen kontrastreiche Grenzschichtströmungsaufzeichnungen erhalten werden können. Auch in diesem Falle läßt sich der schalenförmige Aufbau des sich aufstauenden Flüssigkeitsvolumens vor dem Zylinder als Widerstandskörper erkennen. Infolge der anderen Viskositäts- und Strömungsverhältnisse als bei Wasser (Beispiel 1) zeigt sich an der Rückseite des Zylinders auf der Aluminiumfolie ein ganz anderes Grenzschichtströmungsbild.

Nach dieser Verfahrensweise können mit Vorteil Strömungsanalysen in Auto- und Mehrbereichtsölen vorgenommen werden.

Auf eine Aluminiumfolie gemäß a3.) 12 um stark mit GSX-Eloxalschicht anodisiert und rot eingefärbt wird ein Zylinder senkrecht in einen mit Wasser und etwas Salpetersäure enthaltenden Strömungskanal gestellt. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s und einer Expositionszeit von 1,5 min wird ein konturenstarkes Chemigraphiebild für den Grenzschichtströmungsverlauf erhalten. Dieses ist der Fig. 6 sehr ähnlich, jedoch im Sinne eines Farbbildnegativs. Wo in Fig. 6 stärkere Farbtiefen zu erkennen sind, ist hier der rote Farbstoff stärker herausgelöst und die entsprechenden Oberflächenbereiche erscheinen silberhell-farblos bis blaßrot.

Ein gleiches Chemigraphiebild ist erhältlich, wenn anstelle der Salpetersäure das stark oxidierend wirkende Ozon verwendet wird. Es genügen hiervon bereits Mengen von etwa 0,01 Gew.%

Auf der farblosen Oberfläche sind keine Grenzschichtströmungsaufzeichnungen zu erkennen, wenngleich sich die Grenzschichtströmung durch lokal unterschiedliche Verdichtungsgrade schon in die Eloxalschicht eingeschrieben hat. Durch anschließendes Eintauchen der Al-Folie in ein Färbebad: 3 g/1 Aluminiumblau 2 LW® von 20°C über

5 min lang wird das latente Chemigraphiebild kontrastreich sichtbar wie die Figur 8 (a,b,c) deutlich zeigt. Unter Titelbild 8c wird der Feinbau des chemigraphischen Grenzschichtströmungsbildes klar sichtbar.

Dieses Beispiel zeigt die hohe Empfindlichkeit der kapillaraktiven Eloxalschichtoberfläche gegen Verdichtungsvorgänge mit heißem Wasser oder Hydroxylionen.

Das in Beispiel 4 prinzipiellaufgezeigte Verfahren wird nun durch einen Versuch im Strömungskanal - im Heißwasser-Strömungskanal - praxisnah ergänzt.

Fig. 9 zeigt die Eloxal-Farbschicht-Chemigraphie des Grenzschichtströmungsverlaufes um ein Tragflügelprofilsegment im mit heißem Wasser betriebenen Strömungskanal.

Das latente Chemigraphiebild des Grenzschichtströmungsverlaufes auf der präparierten Grundplatte in unmittelbarer Nachbarschaft zum Widerstandskörper wird durch Einsenken in ein Färbebad sichtbar gemacht.

Färbebad: 3 g/l Aluminiumblau 2 LW®, 5 min bei 20°C.

Nur in die nicht oder nur partiell verdichteten Eloxalschichtfeinstrukturen kann der Farbstoff noch einziehen und adsorbiert werden. Der lokale Verdichtungsgrad wird vom Verlauf und Dicke der Heißwasser-Grenzschichtströmung bestimmt.

Eloxal-Farbschicht-Pointillisierungs-Chemigraphie des lokalen Grenzschichtströmungsverlaufes um einen auf einer Würfelfläche stehenden Kubus (Fig.10) im mit Wasser gefüllten Strömungskanal.

Wie in Fig. 10 sehr gut zu erkennen ist, zeichnen die bis 15 mm langen Farbschweife den örtlichen Verlauf der Grenzschichtströmung genau und dauerhaft auf. Wie unterschiedlich die Grenzschichtströmungen in Richtung und Geschwindigkeit in unmittelbarer Nachbarschaft des Widerstandskörpers sind, wird chemigraphisch mittels der Farbschweife direkt sichtbar gemacht. Durch anschließendes Verdichten in siedendem entionisiertem Wasser wurde die Chemigraphie praktisch unbegrenzt haltbar gemacht.

Eloxal-Farbschicht-Pointillisierungs-Chemigraphie des lokalen Grenzschichtströmungsverlaufes um ein auf einer Dreiecksfläche stehendes dreiseitiges Prisma (Fig.11) im mit Öl gefüllten Strömungskanal.

Durch den in der Farbpaste vorhandenen öllöslichen Farbstoff Sudanblau® erhält man beim Chemigraphieren bis 20 mm lange konturenscharfe Farbschweife, die den Verlauf der Grenzschichtströmung um das rechtwinklige Prisma lokal und richtungsweisend sehr deutlich sichtbar machen und dauerhaft in die Eloxalschicht einschreiben (siehe Fig.11).

Während die Beispiele 6 und 7 die hervorragende Möglichkeit der Pointillisierungstechnik zur Sichtbarmachung und Aufzeichnung der lokalen Grenzschichtströmungsrichtung belegen, dokumentieren die dreifolgenden Beispiele die erfindungsgemäße Möglichkeit der Pointillisierungstechnik auch die Grenzschichtströmungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Expositionszeit "sichtbar" zu ,machen, genauer: die aufgezeichnete Farbschweiflänge mit der Geschwindigkeit der Grenzschichtströmung in Relation zu bringen.

Die Eloxal-Farbschicht-Pointillisierungs-Chemigraphien in den Figuren 12a und 12b demonstrieren zunächst beispielhaft den Einfluß der Expositionszeit auf die sich einschreibende Farbschweiflänge. Um reproduzierbare Versuchsbedingungen leicht einstellen zu können, wurde die Oberfläche einer im Flüssigkeitsmedium untergetaucht kreisenden Scheibe von 124 mm Durchmesser mit pointillisiertem Chemigraphie-Material belegt und die Scheibe über eine zentrale Achse mittels eines regulierbaren Rührmotors angetrieben.

Die Chemigraphie in Fig. 12a (halbe Originalscheibe) beweist, daß schon in 30 Sekunden über 10 mm lange Farbschweife deutlich eingeschrieben sind, die - wie strömungs- und rotationstechnisch zu erwarten ist - mit zunehmender Entfernung vom Drehpunkt der Scheibe infolge der ansteigenden Zentrifugalgeschwindigkeit der Grenzschichtströmungen einen größeren Krümmungsradius aufweisen, der in direkter Relation zur lokalen Geschwindigkeit der Grenzschichtströmung steht und rechnerisch ausgewertet werden kann.

Die Chemigraphie in Fig.12b demonstriert, daß zwar bei 10fach längerer Expositionszeit die Farbschweife noch deutlicher und länger (bis über 30 mm lang) werden, die Krümmungsradien lokal unverändert gleich groß bleiben, weil die Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe mit 100 U/min beibehalten worden ist.

Daß bei hinreichend großem und mengenmäßig gleichem Farbstoffdepot in den Farbstoffpunkten (bei der unter den gegebenen Bedingungen notwendigerweise ebenen Grenzschichtströmung) die Farbschweiflängen mit zunehmender Entfernung vom Drehpunkt infolge der ansteigenden Geschwindigkeit der Grenzschichtströmungen zunehmen und ebenfalls rechnerisch zur Ermittlung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten ausgewertet werden können, ist folgerichtig zu erwarten. Eine Versuchsreihe mit rotierenden Scheiben noch größeren Durchmessers und kreuzförmig angeordneten Farbstoffpunktreihen bietet dafür die experimentell einfachsten und mathematisch gut überschaubaren Voraussetzungen,solange die Grenzschichtströmungen im laminaren Bereich bleiben. Die in solchen Versuchen gewonnenen Erkenntnisse über die Relation zwischen Farbschweiflänge und Geschwindigkeit der Grenzschichtströmungen sind dann auch für laminare Grenzschichtströmungen in ebenen, gestreckten Strömurigskanälen und analogen Strömungszuständen in Geräten und Apparaten gültig und nutzbar.

Für die strömungstechnische Untersuchung von Widerstandskörpern (Profilteilen, Formstücken, Modellobjekten etc.) in Flüssigkeitsströmungskanälen und Apparaturen mit vorzugsweiser Längsströmung laminarer Art haben sich an Stelle von Farbstoffpunkten Farbstrich- und Balkenstrukturen entsprechend Fig. 2a und 2b wegen größerer Farbstoffdepotmengen als besonders vorteilhaft erwiesen. In den Figuren 13, 13a und 13b wird diese Ausführungsform der Pointillisierungstechnik beispielhaft dargestellt.

In beiden Fällen haben sich kräftige Farbschweife ausgebildet, die die lokale Grenzschichtströmung hinsichtlich Richtung und Geschwindigkeit deutlich sichtbar machen und aufzeichnen; sehr instruktiv die rückläufige Grenzschichtströmung an der Konkavseite des Tra gflügelprofilsegmentes in Fig.13a. Die Farbstoffstriche enthalten für noch mehrfach längere Expositionszeiten ausreichend Farbstoff. Die dunkelblauen Farbschweife heben sich sehr kontrastreich_vom silberhellen Grund des Chemigraphie-Materials ab.

Als dreidimensional geformtes Objekt für eine chemigraphische Grenzschichtströmungsuntersuchung, das nicht mit präparierter selbstklebender Al-Folie überzogen werden kann und auch nicht aus einem hell anodisierenden Aluminiumwerkstoff, sondern aus einem anderen Metall oder leitfähigen Material besteht, kann z.B. ein Propellerblatt (Fig.14 und 15) durch Galvano-Al-Eloxal-Beschichtung gemäß a2) für das erfindungsgemäße Verfahren präpariert werden. Mit Hilfe der Eloxal-Farbschicht-Pointillisierungs-Chemigraphie werden die Grenzschichtströmungen auf den Propellerblattoberflächen einer Schiffsschraube aus Messing- bzw. Bronzelegierung bei verschiedenen Anstellwinkeln sichtbar gemacht und aufgezeichnet. Hierfür werden die einzelnen Propellerblätter zunächst gemäß a2) allseitig mit Galvano-Al-Eloxal beschichtet und die ca. 15 µm starke GS-Eloxalschicht durch Pointillisieren mit einem Farbstoffpunktraster versehen.

Die Figuren 14a und 15a zeigen die Oberseiten, die Figuren 14b und 15b die Unterseiten der Propellerblätter mit den chemigraphisch erzeugten Farbschweifen der recht unterschiedlichen Grenzschichtströmungen.B_esonders .auf den Oberseiten führen die unterschiedlichen Anstellwinkel zu sehr verschiedenen Grenzschichtströmungen, wie >die Chemigraphien zeigen, doch auch auf den Unterseiten spiegeln die deutlich voneinander abweichenden Farbschweifrichtungen (bei 14b steiler als bei 15b) den Einfluß der Anstellwinkel wider. Bemerkenswert sind die gegenläufigen Grenzschichtströmungen nahe dem Ansatz des Propellerblattes am Drehkopf (besonders deutlich in den Figuren 15a und 15b). Für den strömungstechnischen Fachmann lassen sicherlich schon die qualitativen Auswertungen der mit verschiedenen Anstellwinkeln erhaltenen Grenzschichtströmungs-Chemigraphien eine Beurteilung und Optimierung der Propellerblattform zu, doch lassen sich bei genau festgelegten Versuchsparametern aus den Richtungen, Krümmungsradien und Längen der Farbschweife auch quantitative Ergebnisse gewinnen, die die Kenntnisse über das Strömungsgeschehen an der und um die Schiffsschraube erweitern.

Das Objekt dieses Beispiels, die Propellerblattoberfläche, ist bei schwierigeren Untersuchungsbedingungen für die Doppelpointillisierung prädestiniert, wie Beispiel 12 zeigt.

Dieses Beispiel ergänzt Beispiel 10 in zwei Perspektiven anhand der Figuren 16a und 16b in Eloxal-Farbschicht-Pointillisierungs-Chemigraphien in nichtwäBrigen Flüssigkeitsmedien und hinsichtlich des Einflusses turbulenter Grenzschichtströmungen auf die Farbschweiflängen.

Die Versuchsanordnung mit untergetauchter rotierender Scheibe von 120 mm Durchmesser entspricht prinzipiell der in Beispiel 10; als Flüssigkeitsmedium fungiert jedoch das viel dünnflüssigere Aceton. wodurch die erste Chemigraphie (Fig.16a) im Bereich laminarer, die zweite Chemigraphie (Fig.16b) im Bereich turbulenter Grenzschichtströmung erzeugt worden ist.

Dem Sinn und Zweck der Doppel-Pointillisierungstechnik entsprechend - Ausschluß von Eintauch- und Anfahreffekten - wird zur Aufzeichnung der Grenzschichtströmungen in der Umgebung eines Modell-Voith-Schneider-Propellers mit 4 Messern der Schiffsboden des Modellbootes mit doppelt-pointillisiertem Chemigraphie-Material beklebt, um eine Verzeichnung der Chemigraphie beim Eintauchen des Modellbootes und beim Anfahren des Propellers auszuschließen.

Fig. 17 zeigt die Eloxal-Farbschicht-Pointillisierungs-Chemigraphie der Grenzschichtströmungen auf dem Schiffsboden und auf der Rotorfläche, wie sie von dem VOITH-SCHNEIDER-Propeller erzeugt werden. An praktisch jeder Stelle der beströmten Fläche ist die Richtung der jeweiligen Grenzschichtströmung zu erkennen und daraus auch die Drehrichtung des Propeller-Rotors zu entnehmen. Besonders interessant sind Bereiche rechts und oberhalb des Rotors, wo sich offenbar zwei Hauptströmungsrichtungen durch den gleichmäßig umlaufenden Propeller-Rotor manifestiert haben.