Energieerzeugung und Mobilität leisten signifikante Beiträge zum anthropogenen Klimawandel, aufgrund der nach wie vor notwendigen Nutzung von Verbrennungsprozessen. Daher ist eine weitere Optimierung der Verbrennungsprozesse hinsichtlich der Reduktion des Ressourcenverbrauchs sowie umweltschädlicher Lärm- und Schadstoffemissionen erforderlich. Eine Voraussetzung dieser Optimierung ist ein grundlegendes Verständnis der auftretenden transienten und reaktiven Fluidströmungen. Die dafür notwendige simultane, bildgebende Detektion mehrere Strömungsgrößen ist herausfordernd, aufgrund der notwendigen hohen Mess- und Datenraten sowie der Forderung einer nichtinvasiven Messung auch in reaktiven Fluiden. Daher erfolgt in dieser Arbeit die Kombination verschiedener Messverfahren mit der heute zur Verfügung stehenden Hochgeschwindigkeitskamera- und Datenverarbeitungstechnik sowie die Charakterisierung dieser Verfahren hinsichtlich ihrer Anwendung bei der Analyse transienter Fluidströmungen. Dafür werden zum einen die Doppler-Global-Velozimetrie mit sinusförmiger Laserfrequenzmodulation sowie Doppler-Global-Velozimetrie mit Laserfrequenzumtastung für die Untersuchung stark transienter Strömungsprozesse mit hohen Messraten bis 500 kHz vorgestellt. Zum anderen wird die kamerabasierte Laservibrometrie in Kombination mit tomografischer Rekonstruktion mittels neuronaler Netze als aussichtsreicher neuer Ansatz für die Analyse drallstabilisierter Flammen herausgestellt. Demonstriert wird die Messung transienter Strömungsprozesse sowie die Erfassung von Fluktuationen der Dichte und Wärmefreisetzungsrate in drallstabilisierten Flammen sowie die korrelationsbasierte Analyse der Strömungsgeschwindigkeit ohne Zugabe invasiver Streupartikel in das reaktive Fluid.
Aktualisiert: 2022-01-10
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Die Reduzierung des Ressourcenverbrauchs und der Lärm- und Schadstoffemissionen von technischen Strömungsprozessen wie Verbrennungs- und Einspritzvorgängen ist von hoher gesellschaftlicher Bedeutung und erfordert ein tieferes Verständnis der auftretenden Strömungsphänomene. Hierfür ist die messtechnische Erfassung der Strömungen notwendig, wobei insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit von hohem Interesse ist. Strömungsgeschwindigkeitsmessungen in dynamischen oder reaktiven Fluiden stellen jedoch hohe Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Um Strömungsoszillationen und instationäre Phänomene mit kurzen Zeitskalen erfassen zu können, muss eine Messung simultan dreikomponentig und mit einer hohen Messrate von 100kHz oder mehr erfolgen. Zur Analyse komplexer und kleinskaliger Geschwindigkeitsfelder ist eine bildgebende oder volumetrische Messung mit einer hohen örtlichen Auflösung wünschenswert. Momentan verfügbare Messsysteme genügen bisher nicht allen genannten Anforderungen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung, Charakterisierung und Qualifizierung eines geeigneten Systems zur zeitaufgelösten Erfassung instationärer Strömungsprozesse in hochdynamischen und reaktiven Fluiden.
Aktualisiert: 2020-12-08
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