Raimund SchlüßlerOptisches Geschwindigkeitsmesssystem zur vektoriellen Erfassung instationärer Strömungsprozesse | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ISBN: | 978-3-8440-5093-6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Series: | Dresdner Berichte zur Messsystemtechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Czarske Dresden | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volume: | 11 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Keywords: | Optik; Strömungsmesstechnik; Doppler Global Velozimetrie | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Type of publication: | Thesis | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Language: | German | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pages: | 138 pages | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Figures: | 74 figures | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Weight: | 191 g | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Format: | 21 x 14,8 cm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Binding: | Paperback | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Price: | 45,80 € / 57,30 SFr | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Published: | March 2017 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Abstract: | 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. Die Messung muss simultan dreikomponentig und mit einer hohen Messrate von 100 kHz oder mehr erfolgen, um Strömungsoszillationen und instationäre Phänomene mit kurzen Zeitskalen erfassen zu können. 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.
Einen für diese Zwecke vielversprechenden Ansatz stellt die Doppler-Global-Velozimetrie mit Laserfrequenzmodulation (FM-DGV) dar, da diese eine berührungslose Messung mit hoher Messrate gestattet und prinzipiell auch dreikomponentige und volumetrische Messungen ermöglicht. Im ersten Schritt erfolgte daher die Entwicklung und Realisierung eines simultan dreikomponentigen FM-DGV-Systems und eines FM-DGV-Systems zur bildgebenden und volumetrischen Messung. Die aufgebauten Systeme wurden anschließend hinsichtlich ihrer Geschwindigkeitsmessunsicherheit charakterisiert. Hierbei wurde gezeigt, dass die resultierenden Messunsicherheiten hinreichend klein sind und der Einfluss von Brechungsindexfluktuationen auf die Messunsicherheit vernachlässigt werden kann. Die Analyse der Messunsicherheiten aufgrund von Strömungsgeschwindigkeits- und Streulichtleistungsfluktuationen erfolgte mittels eines modellbasierten Ansatzes. Dabei wurde gezeigt, dass Streulichtleistungsfluktuationen einen dominanten Beitrag zum Messunsicherheitsbudget leisten können. Um die Eignung für die simultan dreikomponentige Messung mit hoher Messrate zu demonstrieren, wurden Messungen an einem Bias-Flow-Liner (BFL) durchgeführt. Dabei gelang erstmals an einem BFL die Untersuchung des Leistungsdichtespektrums in kartesischen Koordinaten und der Nachweis eines breitbandigen Energietransfers von Energie der Schallanregung hin zur kinetischen Energie der Strömung. Zur Demonstration der Messung in reaktiven Fluiden wurde ein drallstabilisierter Gasbrenner untersucht, wie er in stationären Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken eingesetzt wird. Hierbei konnte eine thermo-akustische Wechselwirkung zwischen der Wärmefreisetzungsrate und dem Druck nachgewiesen werden und es zeigte sich ein Zusammenhang zwischen den lokalen Geschwindigkeitsoszillationen innerhalb der Flamme und den globalen Schalldruckemissionen. Durch die bildgebende, zeit- und ortsaufgelöste Messung mit hoher Messrate konnten zudem erstmals instationäre Phänomene der Strömungsgeschwindigkeit im düsennahen Bereich einer Hochdruck-Einspritzdüse ohne Seedingzufuhr vermessen werden. Diese Entwicklungen ermöglichen weitere Untersuchungen zum stabileren Betrieb von Gasbrennern mit mageren Gemischen, ein tieferes Verständnis der Dämpfungsmechanismen an BFL und die Optimierung des Einspritzvorganges in Motoren. Somit kann perspektivisch ein Beitrag zum ressourcenschonenden, umweltfreundlichen und leisen Betrieb von technischen Strömungsmaschinen wie Flugzeugtriebwerken, stationären Gasturbinen und Verbrennungsmotoren geleistet werden. |