Strömungsmechanische Phänomene sind in vielen Prozessen von großer Bedeutung für Effizienz, Geräuschemissionen, Ressourcenverbrauch und den ökologischen Fußabdruck. Im ISM verbinden wir Grundlagenforschung in der Strömungsmechanik, Theorie, Experimente und numerische Simulation mit Anwendungsbereichen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und der Energietechnik.
Für quantitative Strömungsfeldmessungen stehen mehrere kommerzielle PIV Systeme zur Verfügung, aus denen sich bei geeigneter Anordnung der Komponenten alle komplexeren PIV Varianten aufbauen lassen. Forschung und Entwicklung wird im Wesentlichen mit den Varianten Standard-2C2D-, Stereo-3C2D und Hochgeschwindigkeits-PIV durchgeführt. Am Institut sind alle Komponenten, also Laser, Kameras, Sequenzer und die notwendige Software sowie auch die notwendige Erfahrung vorhanden, um Strömungen mit PIV zu untersuchen.
Die Komponenten können auch in verwandeten optischen Methoden genutzt werden. Dies sind im Speziellen die Shadowgraphy zur Bestimmung von Tropfengrößen und -form, planare Laserinduzierte Fluoreszenz (pLIF) zur Bestimmung von Temperatur- oder Konzentrationsfeldern in Flüssigkeiten, sowie die Nutzung von drucksensitiven Farben (pressure sensitive paints, PSP).
Für die Detektion von Dichteänderungen werden klassische Schlierenverfahren, insbesondere die Single Mirror Coincident Schlieren-Technik, Focused Schlieren, aber auch die Background Oriented Schlieren-Methode eingesetzt. Schlieren-Methoden werden meist bei stark kompressiblen Strömungen eingesetzt (super- oder hypersonische Strömungen sowie Strömungen mit starken Wirbeln), die in der Praxis außerdem sehr dynamisch sind. Daher wird die Schlierenoptik meist mit einer der Hochgeschwindigkeitskameras kombiniert. Je nach erforderlicher Auflösung und Bildgröße können Aufnahmeraten ab 1 kHz bis hin zu 80kHz umgesetzt werden.
Einige Eigenschaften von wandgebundenen Strömungen können visualisiert werden, indem die Termperatur der überströmten Oberfläche gemessen wird. Hierzu wird eine komerzielle Infrarotkamera mit einem Sterling-gekühlten InSb-Sensor genutzt, die bei einer Auflösung von 640 x 512 Pixel eine Bildrate von 300 Bildern pro Sekunde erlaubt. Neben der qualitativen Visualisierung - vorrangig zur Detektion des laminar-turbulenten Überganges - wurden am ISM auch Verfahren entwickelt, die eine quantitative Bestimmung der Wärmestromdichten - auch bei vorhandenen lateralen Wärmeströmen - ermöglichen.
Die thermische Anemometrie erlaubt eine zeitlich sehr hochauflösende Bestimmung von einzenen (oder mehreren) Komponenten der Geschwindigkeit. Hierfür stehen verschiedene kommerzielle Messbrücken-Systeme zur Verfügung, die in Luft oder Wasser eingesetzt werden können. Aufgrund der zeitlichen Auflösung kommt die thermische Anemometrie immer dann zum Einsatz, wenn hochdynamische und/oder spektrale Informationen notwendig sind. Diese Systeme können am ISM entweder zur Messung in freien Strömungen (sog. Hitzdraht-Anemometrie) oder zur Messung der Wandschubspannung auf einer Oberfläche (sog. Oberflächen-Heißfilme) genutzt werden. Die Hitzdrähte können in einem speziellen Kalibrierwindkanal für eine quantitative Messung kalibiert werden. Hitzdrahtmessungen kommen zumeist zur Messung der Eigenschaften von transitionellen Grenzschichten (z.B. Stabilitätsanalyse, Anfachungsraten) oder turbulenten Größen zum Einsatz. Mit speziellen Kalibrier- und Auswertetechniken können am ISM thermische Anemometer zur Turbulenzmessung bis in den Hyperschall (Ma=6) genutzt werden.
Die Messung von statischen Drücken und Totaldrücken ist ein nahezu unverzichtbarer Bestandteil in jeder strömungsmechanischen oder aerodynamischen Messung. Das ISM verfügt über eine umfassende Ausstattung an modernen Vielkanal-Druckmesssystemen, die sehr modular sind und sich für verschiedenste Messungen konfigurieren lassen. Darüber hinaus haben wir durch jahrelange Erfahrung in Kooperation mit dem Modell- und Prototypenbau in der Zentralwerkstatt auch die Möglichkeit, an allen möglichen und unmöglichen Orten Druckmessbohrungen und/oder Drucksonden einzubringen. Darüber hinaus haben wir eine umfassende Ausstattung an Sonden (Pitot-, Prandtl-, Fischmaulsonden, Fünfloch-Sonden). Für Profilvermessungen steht ein Nachlaufrechen und ein modulares Auswertesystem zur instantanen Bestimmung von Auftriebs- und Widerstandsbeiwerten zur Verfügung. Für die Vermessung von hochfrequenten Druckstörungen kann auf eine Vielzahl von zeitlich sehr hochauflösenden Druckmesssensoren zurückgegriffen werden. Im Hyperschall werden außerdem hochpräzise PCB-Drucksensoren eingesetzt.
Die Digitalisierung einer Vereisungsgeometrie wird aufgrund der Komplexität der Eisgeometrie und der optischen Eigenschaften des Eises oft als sehr schwierig angesehen. Ein Ansatz, den das ISM für diese Aufgabe verwendet, ist die Photogrammetrie. Bei dieser Methode werden mehrere Fotos einer Vereisungsgeometrie aus verschiedenen Winkeln und Positionen aufgenommen. Anschließend werden diese Fotos in eine Software geladen, die eine virtuelle Geometrie auf der Grundlage der gemeinsamen Details rekonstruiert, die mehrere Fotos zeigen. Das Endprodukt ist die digitalisierte Vereisungsgeometrie, die anschließend für Forschungszwecke und statistische Analysen verwendet werden kann.
Kraftmesswaagen sind wichtige Instrumente zur direkten Messung aerodynamischer Kräfte und Momente in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Flugzeugmodellen, Flügelprofilen und Fahrzeugmodellen. Diese Waagen können grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: Stielwaagen und Blockwaagen. Das ISM ist mit beiden Typen ausgestattet und bietet ein breites Spektrum an hochpräzisen Kraft- und Momentmessmöglichkeiten im Bereich von 10 N bis 4000 N Kraft. Zu den fortschrittlichen Instrumenten des ISM gehört die RUAG-Sechs-Komponenten-Waage, ein vielseitiges Gerät, das je nach Skala des Modells als interne oder externe Waage fungieren kann. Weitere spezialisierte Waagen sind die Unterflurwaage KME4, die für Fahrzeugmodellversuche und als Dreikomponentenwaage auf Drehtischen für Halbflügelkonfigurationen eingesetzt wird, die Große Heckstiel-Waage W611, die für Messungen an kompletten Flugzeugmodellen verwendet wird, und die Miniatur-Stielwaage W637, die typischerweise im MAV-Labor zur Ermittlung der aerodynamischen Kräfte an Mikroflugzeugen (MAVs) eingesetzt wird. Eine K6D40-Waage wird für Laborkurse, Unterricht und Live-Demonstrationen verwendet.