DA032 - Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe ...

Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Fakultät Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen
Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe des Instituts
Verkehrstechnik
Experimentelle Untersuchung von
Strömungsmischvorgängen an einem Wasserkanal-
Demonstrator mittels planarer laserinduzierter Fluoreszenz
Diplomarbeit von
cand. Ing. Thomas Dimpker
Cottbus im Oktober 2008
Vorgelegt am: Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe
der BTU Cottbus
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.P.Berg
Betreuer: Dipl.-Ing. Michael Prinzler

Danksagung
Hiermit möchte ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. Michael Prinzler, meinem Betreuer der Arbeit,
sowie Herrn Dr. Antoshkiv für die Unterstützung bei der Bearbeitung des Themas bedanken.
Weiterhin bedanke ich mich bei Herrn Dipl.-Ing. Robert Mattke für seine Hilfestellungen bei
der Inbetriebnahme und Justierung des Lasersystems sowie der Erstellung diverser
Labview-Programme.
Mein weiterer Dank gilt der Zentralwerkstatt der Fakultät 4, speziell Herrn Zernsdorf sowie
Herrn Wittkopf für die Fertigung von Bauteilen, die zur Durchführung der Versuche
notwendig waren.

Inhaltsverzeichnis - 1 -
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis...................................................................................................................... 1
Formelzeichen und Konstanten................................................................................................ 3
1. Einleitung und Motivation.................................................................................................... 5
2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)....................................................................................... 6
2.1 Das Zwei-Niveau-Modell ............................................................................................................ 6
2.2 Das Jablonski Energiediagramm............................................................................................. 13
2.3 Fluoreszenztracer...................................................................................................................... 15
2.3.1 Anforderungen an Fluoreszenzfarbstoffe ........................................................................................... 15
2.3.2 Konventionelle Fluoreszenztracer ...................................................................................................... 16
2.4 Das Absorptionsspektrum von Rhodamin 6G........................................................................ 17
2.4.1 Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang mit Rhodamin 6G............................................................... 19
2.5 Vor- und Nachteile der LIF...................................................................................................... 19
2.5.1 Vorteile............................................................................................................................................... 19
2.5.2 Grenzen der Fluoreszenz .................................................................................................................... 20
2.5.2.1 Photochemischer Zerfall.................................................................................................................. 20
2.5.2.2 Einfluss der Viskosität auf die Fluoreszenz..................................................................................... 21
2.5.2.3 PH-Wert-Abhängigkeit.................................................................................................................... 21
2.5.2.4 Löschung ......................................................................................................................................... 22
2.5.2.5 Begrenzungen durch den Laser ....................................................................................................... 24
3. Strömungsvisualisierung..................................................................................................... 25
4. Strömungsmischvorgänge................................................................................................... 26
4.1 Einteilung und Kriterien des Mischens................................................................................... 26
4.2 Mischungsvorgänge in der Technik und die Anwendung von LIF ...................................... 27
4.3 Zweiphasenströmung................................................................................................................ 28
4.3.1 Aggregatsmischungen ........................................................................................................................ 29
4.3.2 Vergleich von Ein- und Zweiphasenströmung ................................................................................... 32
4.4 Drallphänomene und Wirbelformen....................................................................................... 32
4.5 Reynoldsgleichungen ................................................................................................................ 35
4.6 Tropfenentstehung / Oberflächenspannung........................................................................... 36
4.7 Rohrströmung ........................................................................................................................... 39
4.8 Luft und Wasser als Strömungsmedium................................................................................ 39
4.8.1. Viskosität........................................................................................................................................... 40
5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates...................................................................... 42
5.1 Düsen.......................................................................................................................................... 44
5.2 Drallstärke und Drallzahl ........................................................................................................ 44
5.3 Rayleigh-Kriterium................................................................................................................... 46
5.4 Reynoldszahl.............................................................................................................................. 47
5.5 Instabilitäten.............................................................................................................................. 47
5.6 Wirbelaufplatzen....................................................................................................................... 48
5.7 geometrische Faktoren ............................................................................................................. 49
5.7.1 Leitschaufelzahl.................................................................................................................................. 49

Inhaltsverzeichnis - 2 -
5.7.2 Leitschaufeldicke................................................................................................................................ 50
5.7.3 Leitschaufelkontur.............................................................................................................................. 50
5.8 AFR ............................................................................................................................................ 51
6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung ................................................................... 53
6.1 Vorüberlegungen....................................................................................................................... 55
6.2 Rechnung zur Ähnlichkeitsbeziehung..................................................................................... 56
6.3 Das Versuchsbecken ................................................................................................................. 58
6.4 Die Drallerzeuger ...................................................................................................................... 59
6.5 Düsenkonfiguration .................................................................................................................. 62
6.6 Messsystem zur Fluoreszenzbestimmung ............................................................................... 63
6.6.1. Lasersysteme ..................................................................................................................................... 63
6.6.1.1 Neodym-YAG Laser........................................................................................................................ 64
6.6.1.2 Excimerlaser .................................................................................................................................... 65
6.6.1.3 Farbstofflaser................................................................................................................................... 66
6.6.2. Detektionssysteme............................................................................................................................. 66
6.6.2.1 CCD-Kamera................................................................................................................................... 66
6.6.2.2 ICCD-Kamera.................................................................................................................................. 67
6.6.2.3 Fluoreszenzspektrometer ................................................................................................................. 67
6.7 Verwendetes Mess- & Steuerungssystem................................................................................ 68
6.8 Kalibrierung des Messsystems................................................................................................. 70
6.8.1 Kalibrierung der Temperatur/Ermittlung der Temperaturabhängigkeit.............................................. 70
6.8.2 Bestimmung der Fluoreszenzintensität und Ansetzen der Mischung von Rhodamin 6G in Wasser .. 70
6.9 Versuchsdurchführung............................................................................................................. 72
6.10 Bildbearbeitung und Auswertung ......................................................................................... 75
7. Resultate............................................................................................................................... 78
8. Fehlerbetrachtung............................................................................................................... 87
8.1 Hardware und Versuchsaufbau............................................................................................... 87
8.2. Messfehler................................................................................................................................. 87
8.3. Fehler bei der Auswertung...................................................................................................... 88
9. Schlussfolgerung und Ausblick .......................................................................................... 89
10. Abbildungsverzeichnis....................................................................................................... 91
11. Literaturverzeichnis........................................................................................................... 93
Eidesstattliche Erklärung........................................................................................................ 96
12. Anhang............................................................................................................................... 97
A.1 Datenblatt von Rhodamin 6G ................................................................................................. 97
A.2 Sicherheitsdatenblatt von Rhodamin 6G ............................................................................... 98
A3 Messreihe 1 ...................................................................................................................... 101
A4 Messreihe 2 ...................................................................................................................... 104
A5 Messreihe 3 ...................................................................................................................... 105
A6 Messreihe 4 ...................................................................................................................... 108

Formelzeichen und Konstanten - 3 -
Formelzeichen und Konstanten
Lateinische Zeichen
Zeichen Bedeutung Einheit
A Fläche m²
c Lichtgeschwindigkeit m/s
cu Umfangsgeschwindigkeit m/s
cax Axialgeschwindigkeit m/s
D& Axialer Drehimpulsstrom Nm
D Diffusionskoeffizient m²/s
DTropfen Tropfendurchmesser mm
D0 Kapillardurchmesser mm
d Durchmesser mm
E Energie eines Lichtphotons J
F Kraft N
g Erdbeschleunigung m/s²
h Planck’sche Konstante 6,62 *10 -34 Js
I& Axialimpulsstrom N
k Boltzmann-Konstante 1,381*10 -23 J/K
L char
/ R Charakteristische Länge m
m& Massenstrom kg/s
p Druck Pa
r Radius m
T Absolute Temperatur K
t Zeit s
u’ Axiale Schwankungsgeschwindigkeit m/s
U
u
Zeitgemittelte axiale Geschwindigkeit m/s
r
Geschwindigkeit m/s
um Mittlere Strömungsgeschwindigkeit m/s
V Volumen m³
V& Volumenstrom m³/h
w’ azimutale Schwankungsgeschwindigkeit m/s
W Zeitgemittelte azimutale Geschwindigkeit m/s
w Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeitslamelle m/s
w Mittlere relative Anströmgeschwindigkeit der Schaufel an der Nabe m/s
∞
∆w Strömungsumlenkung an der Nabe m/s
u
Griechische Zeichen
Zeichen Bedeutung Einheit
α Abströmwinkel °
Γ
ε
Zirkulation
Molare Absorptionsvermögen
m²/s
m 2 /kg
� Dynamische Viskosität kg/ms
� Raumwinkel der Detektion °
�
ρ
σ
υ
Wellenlänge
Stoffdichte
Oberflächenspannung
Kinematische Viskosität
nm
kg/m³
N/m
m 2 ϕ
ω
Azimutale Koordinate
/s
rad
r
Wirbelstärke 1/s
� Winkelgeschwindigkeit 1/s

Formelzeichen und Konstanten - 4 -
Indizes
Zeichen Bedeutung
A21 Rate der spontanen Emission
AFR Air-Fuel-Ratio
b12
b21
B12,B21
C Konstante
Rate der induzierten Absorption
Rate der induzierten Emission
Einsteinkoeffizienten der induzierten Emission bzw. Absorption
sat
I Sättigungsintensität
v
I / Iv Intensität
I0 maximale Fluoreszenzintensität während der Anregung
I Sättigungs-LIF
kF
LIF
Geschwindigkeitskonstante der Fluoreszenz
knr Summarische Geschwindigkeitskonstante aller strahlungslosen Zerfallskonstanten
k Summarische Geschwindigkeitskonstante aller Zerfallskonstanten
N1 Besetzungsdichte des angeregten Zustandes
N2 Besetzungsdichte des Grundzustandes
P Rate der Photodissoziation
Q21 Stoßlöschrate
Re Reynoldszahl
Ro Rossbyzahl
S Drallzahl
Sc Schmidtzahl
SLIF Signalintensität
W Rate der Photoionisation
We Weberzahl
ZLE Leitschaufelzahl
ZLA Laufschaufelzahl
�
ψ
Brennstoff-Luft-Verhältnis
experimenteller Faktor
φF Fluoreszenzquanteneffizienz
� Reibungskoeffizient
τ / τ F Fluoreszenzlebensdauer

1. Einleitung und Motivation - 5 -
1. Einleitung und Motivation
Die experimentelle Untersuchung von Strömungsvorgängen nimmt in der heutigen
Wissenschaft und Forschung einen stetig anwachsenden Stellenwert ein. Eine Methode zur
Visualisierung dieser ist die Planare Laserinduzierte Fluoreszenz (PLIF). Planar bedeutet
hierbei, dass die LIF-Untersuchungen mittels eines Lichtschnitts durchgeführt werden. Das
Prinzip beruht auf einem berührungslosen laseroptischen Messverfahren zur Bestimmung
von Temperatur- und Konzentrationsverteilungen in Fluiden bzw. strömenden Medien. Das
Prinzip beruht auf der spontanen Photoemission von Molekülen nach einer
vorangegangenen Absorption von Laserlicht. Die gezielte Anregung eines Fluoreszenztracer
und die Detektion der räumlichen Verteilung der emittierten Fluoreszenz mittels einer CCD-
Kamera ermöglichen eine hoch aufgelöste Bestimmung der Strömungseigenschaft in ihrer
zeitlichen Entwicklung sowie eine nachträgliche beliebige Untersuchung. Ein großer Vorteil
ist, dass dieses Verfahren keine Störung in das System einbringt und keine Rückwirkung auf
das Medium hat. Abhängig von der optischen Konfiguration kann die LIF-Technik zur
Fluoreszenz- / Temperatur- sowie Konzentrationsmessung in einer Ebene, entlang einer
Linie oder an einem einzigen Punkt genutzt werden.
Beispielsweise bei der Untersuchung einer Verbrennung, sei es im Verbrennungsmotor oder
in der Brennkammer eines Triebwerks, dient die Particle Image Velocimetry (PIV) zur
Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes im Bereich der Flamme, wobei hingegen die LIF eine
Visualisierung der Flammenkontur ermöglicht.
Im Mittelpunkt der am Lehrstuhl „Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe“ (VFA) der
Brandenburgischen Technischen Universität (BTU) durchgeführten Versuche steht die
Untersuchung von Vermischungsvorgängen an einem Wasserkanal- Demonstrator, welche
mittels der Planaren Laser-Induzierten-Fluoreszenz-Methode visualisiert und untersucht
werden. Dazu wurde ein Drallapparat entwickelt, um eine Umlenkung der Strömung zu
realisieren. Drallbehaftete Strömungen gewinnen im Maschinenbau als auch in der
Verfahrenstechnik zunehmend an Bedeutung, da die Eigenschaften dieser Strömung auf
vielfältige Art und Weise genutzt werden können. Durch eine Variation des Drallwinkels wird
beispielsweise der Ablauf der Verbrennung durch die Erzeugung einer Rotation der
Primärluft um die Kraftstoffdüse herum wesentlich beeinflusst. Moderne Brenner prägen dem
Gemisch eine Drallströmung bei, um ein Ausblasen der Flamme bei mageren Betrieb zu
verhindern und um eine hohe Leistungsdichte bei einem hohen Ausbrand sowie eine stabile
Flammenfront zu erzielen. Neben weiteren Einflussparametern lassen sich somit die
Flammenform und die Flammenlänge beeinflussen. Diese charakterisieren wiederum die
Strömungs-, Temperatur- sowie die Konzentrationsfelder und beeinflussen damit die
Schadstoffbildung.

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 6 -
2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)
Die Fluoreszenz ist ein Prozess der spontanen Photoemission angeregter Teilchen. Die
Anregung geschieht durch Stöße mit Photonen, Elektronen oder Molekülen. Eine Anregung
durch Absorption von Laserstrahlen nennt man Laserinduzierte Fluoreszenz(LIF). Das
betrachtete Medium absorbiert Licht, in diesem Fall Laserstrahlung, und wird in Form von
Fluoreszenz wieder abgegeben.
Die laserinduzierte Fluoreszenz wird primär bei der Untersuchung und Aufklärung von
Verbrennungsphänomenen verwendet, wobei die Messung von Temperaturfeldern in
Flammen, die Untersuchung der Schadstoffbildung sowie der Nachweis von
Flammenradikalen und Schadstoffen eine wichtige Rolle spielen. Auch im Bereich von
Brennkammern in Gasturbinen kommt dieses Messprinzip zum Einsatz.
Ein weiteres Einsatzspektrum stellt die Visualisierung von Strömungsmischvorgängen dar.
Die Fluoreszenz wird mit Hilfe einer CCD- Kamera detektiert. Aus der Intensität der
Fluoreszenzstrahlung kann auf die Konzentration der Spezies geschlossen werden. Es sind
Konzentrationsnachweise bis in den ppm- Bereich möglich. Die molekulare Durchgangszeit
und die Lebensdauer des angeregten Stadiums sind mit generell weniger als 10 -9 Sekunden
sehr kurz. Konsequenterweise ist die Fluoreszenztechnik in der Lage, hochfrequenten
Konzentrationsfluktuationen zu folgen, und im Allgemeinen ist die Frequenzantwort des
Systems durch das Detektionssystem begrenzt.
Zusammenfassend ist die Fluoreszenz eines sich in der Strömung befindlichen Teilchens
beim Durchgang durch ein laserbeleuchtetes Messvolumen abhängig von der Konzentration
des Fluoreszenzfarbstoffes und der Intensität der Laserquelle sowohl auch von der
Temperatur und dem PH-Wert der Flüssigkeit.
2.1 Das Zwei-Niveau-Modell
Aufgrund der Komplexität der physikalischen Vorgänge während der laserinduzierten
Fluoreszenz wird der Prozess meist mit dem Zwei-Niveau-Modell unter der Annahme
vereinfacht, dass der betrachtete molekulare Zustand auf zwei mögliche Energieniveaus, die
Absorption und die Emission eines Photons, begrenzt ist, dargestellt.
Zu Beginn befinden sich alle Moleküle im Grundzustand. Durch eine Anregung mittels einer
Laserquelle werden diese durch eine Energieaufnahme auf einen höheren Energiezustand
gebracht. Die Anregung der Moleküle erfolgt durch die Absorption eines Laserphotons mit
der Energie E.
hc
E = hν
=
Gl. 2-1
λ

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 7 -
Nach ca. 1 bis 100ns erfolgt die Emission aus dem angeregten Zustand. Das angeregte
Molekühl geht somit in den Grundzustand zurück. Erfolgt die Energieabgabe in Form von
Licht rasch, spricht man von Fluoreszenz. Findet sie jedoch zeitlich verzögert statt, handelt
es sich um Phosphoreszenz. Beide Teilgebiete zusammen werden als Lumineszenz
bezeichnet. Diese, sowohl alle weiteren im Vergleich zum Zwei-Niveau-Modell auftretenden
Phänomene werden im Abschnitt 2.2 genauer erläutert.
Abb.1 Zwei-Niveau-Schema der Laserinduzierten Fluoreszenz
Anhand des Zwei-Niveau-Modells ist somit eine quantitative Aussage über das
Fluoreszenzverhalten möglich. Die Wellenlänge des verwendeten Lasers wird dabei so
gewählt, dass diese der Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus entspricht. Die
Fluoreszenzwellenlänge ist dabei stets höher als die Anregungswellenlänge, da die
Elektronen im angeregten Zustand einen Energieverlust erfahren, bevor sie wieder in den
Grundzustand zurück fallen.
Aufgrund einer Reihe von Wechselwirkungen können die Moleküle in ihren optischen
Eigenschaften beeinflusst werden. Auftretende Phänomene des Zwei-Niveau-Modells sind:
I. Stimulierte Absorption eines einfallenden Photons: Hierbei geht das System
vom Grundzustand in den angeregten Zustand über(b12).
II. Stimulierte Emission eines Photons durch ein einfallendes Photon: Hierbei tritt
Licht in Wechselwirkung mit einem Molekül, welches sich bereits im angeregten
Zustand befindet. Das führt dazu, dass dieses Molekül unter Aussendung von Licht
vom angeregten Zustand in den Grundzustand gezwungen wird(b21).
III. Spontane Emission oder Fluoreszenz: Das System geht spontan, ohne äußere
Einwirkungen, vom angeregten Zustand in den Grundzustand über(A21). A21 wird
auch als Einsteinkoeffizient der spontanen Emission bezeichnet.
IV. Stoßlöschungen(Quenching): Hierbei kommt es zu Stößen beziehungsweise
Wechselwirkungen mit umgebenden Teilchen, welche die Fluoreszenzintensiät
mindern [4]. Dieses Phänomen ist sozusagen das Konkurrenzprodukt(Q21) zur
Fluoreszenz und von sehr hoher Bedeutung. Das Auftreten hängt von

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 8 -
Randbedingungen wie Druck, Temperatur und Art der Stoßpartner ab. Auch eine
Bildung von Aggregaten kann zum Quenching führen, was eine Fluoreszenz-
löschung zur Folge hat. Ebenfalls als Quenching bezeichnet man, wenn die
Übergangsraten zwischen den verschiedenen Zuständen durch andere Moleküle
beeinflusst werden. Dies führt zur Verkürzung der Tripletlebensdauer (siehe Abb.3).
Ein beispielsweise wichtiger Tripletquencher stellt der Sauerstoff dar. Dieser liegt
als Triplet im Grundzustand als Diradikal vor und fördert beispielsweise für ein
betrachtetes Farbmolekül die Entvölkerung dessen Tripletzustandes. Diese Art des
Quenching führt jedoch nicht zur Fluoreszenzlöschung, sondern zu einer Erhöhung
der Fluoreszenzintensität. Die Ursache liegt in der Verkürzung der
Tripletlebensdauer, wodurch die Moleküle wieder schneller dem Anregungs-
Fluoreszenzzyklus zur Verfügung stehen(vgl. Abschnitt 2.2).
a. Statisches Quenching: Der angeregte Fluoreszenzfarbstoff und der
Quencher bilden einen nicht- fluoreszierenden Komplex. Der
fluoreszierende Stoff wird fluoreszenzunfähig.
b. Dynamisches Quenching: Hierbei stößt ein angeregtes Molekül mit dem
Quencherteil zusammen, und kehrt ohne Emittierung von Strahlung in den
elektronischen Grundzustand zurück. Da die stattfindende Kollision
zwischen dem Quencher und dem angeregten Molekül erfolgt, verringert
sich die Lebensdauer der Fluoreszenz. Das dynamische Quenching hängt
nicht nur vom angeregten Zustand, sondern auch von den Stoßpartnern
und ihrer Energie ab, und ist somit eine Funktion von Zusammensetzung
und Temperatur[1]. Mit zunehmender Temperatur steigt die
Quencheffizienz.
V. Prädissoziation: Der Zerfall bzw. die Spaltung eines Moleküls durch den Übergang
vom angeregten in einen antibindenden Zustand(P).
VI. Photoionisation: Die Anregung eines Elektrons aus dem angeregten Zustand
heraus durch eine weitere Energiezufuhr durch ein weiteres Laserphoton(W).
Im Gegensatz zu den Geschwindigkeitskonstanten der induzierten Übergänge ist A21 eine
teilchenspezifische Konstante. Die Geschwindigkeitskonstanten der induzierten Übergänge
sind von der wechselwirkenden Strahlung abhängig:
B21I
v
b21
c
= Gl. 2-2
B12I
v
b12
c
= Gl. 2-3

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 9 -
Die Geschwindigkeitskonstanten, auch Raten genannt, der verschiedenen Übergänge sind
maßgebend für die Fluoreszenz. Durch die Vernachlässigung von P und W lässt sich die
zeitliche Abhängigkeit der Besetzungsdichte des angeregten Zustandes N2(t) und die des
Grundzustandes N1(t) durch folgende Gleichungen [7] beschreiben:
dN
dt
1
dN
dt
2
= −N1b12
+ N 2 ( b21
+ A21
+ Q21)
Gl. 2-4
= N1b12
− N 2 ( b21
+ A21
+ Q21)
Gl. 2-5
Da das erste angeregte Niveau bei Temperaturen unbesetzt ist, wird für den Zeitpunkt t = 0,
bevor es zu Wechselwirkungen mit dem Strahlungsfeld gibt, angenommen:
Die Voraussetzung der konstanten Teilchenanzahl führt zu:
0
2 0 = N Gl. 2-6
N N = N
0
1 + 2 1
Gl. 2-7
Unter der Berücksichtigung dieser beiden Randbedingungen ergibt sich für die
Differentialgleichungen Gl. 2-4 und Gl. 2-5:
Setzt man für die Lebensdauer τ
ergibt sich:
N
0
N ( t)
= N ⋅b
⋅τ
( 1−
e
2
τ =
12
1
21
12
b + b
1
+ A + Q
21
1
−
τ
21
b
)
Gl. 2-8
Gl. 2-9
0
0
12
2 ( t)
= N1
⋅b12
⋅τ
= N1
b12
+ b21
+ A21
+ Q
Gl. 2-10
21
Für kleine Zeiten steigt die Besetzung des Angeregten Zustandes an. Erst wenn t gegen τ
ansteigt, stellt sich ein stationärer Zustand ein. Der Faktor τ ist abhängig von der spektralen
Energiedichte der Laserstrahlung, vom Einsteinkoeffizienten sowie vom Koeffizient der
Stoßlöschung. Durch Einsetzen von Gl.2-2 und Gl.2-3 folgt:
Wobei
N
2
= N
0
1
B12
B + B
12
21
1
( A21
+ Q21)
c
1+
( B + B ) I
12
21
v
Gl. 2-11
( A21
+ Q21)
= c
v ( B + B )
Gl. 2-12
I sat
12
21

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 10 -
die Sättigungsintensität definiert.
Aus Gl. 2-11 und Gl.2-12 folgt für die Besetzung des angeregten Zustands:
N
2
= N
0
1
B12
B + B
12
21
1
I
1+
I
sat
v
v
Gl. 2-13
Für die Fluoreszenzleistung / Fluoreszenzintensität, auch Signalintensität genannt, gilt im
Zwei-Niveau-Modell folgender Ausdruck:
S LIF
Durch Einsetzen von Gl.2-13 folgt:
θ A21
S LIF = hν
V
π A + Q
θ A21
= hν
V N 2ψ
Gl. 2-14
4π
A + Q
N
21
21
B12
B + B
4 21 21
0
1
12 21
1
I
1+
I
sat
v
v
ψ
Gl. 2-15
Diese Gleichung stellt die Kernaussage des Zwei-Niveau-Modells dar. Sie erlaubt aus
Fluoreszenzmessungen die Ermittlung von Temperaturen, Zustandsbesetzungen und
Spezieskonzentrationen wie NO, CH2O oder Tracer. Die Fluoreszenzintensität ist von den
physikalischen Randbedingungen wie Druck und Temperatur, von der chemischen
Umgebung des betrachteten Moleküls und von der Besetzung des Grundzustandes
abhängig. Weitere Faktoren, die einen Einfluss auf die Intensität haben, sind die
Wahrscheinlichkeit der Anregung eines Moleküls, die Wahrscheinlichkeit der spontanen bzw.
induzierten Emission, die Wahrscheinlichkeit strahlungsloser Konkurrenzprozesse und die
Anzahl anregbarer Moleküle im untersuchten Messvolumen.
Der experimentelle Faktor η berücksichtigt die Nachweiseffizienz des Detektiersystems und
der Nachweisoptik. Anhand der Gl.2-15 ist ersichtlich, dass nur Größen vorkommen, die
vom spezifischen experimentellen Aufbau abhängig sind. Jedoch müssen diese nicht
berücksichtigt werden, da im Experiment nicht die absolute sondern die relative
Fluoreszenzintensität bestimmt wird. Diese wird durch eine Eichung mit einer bekannten
Teilchenkonzentration ermöglicht, wodurch das System kalibriert werden kann.
Festzuhalten ist, dass die Fluoreszenzleistung mit steigender Intensität linear ansteigt. Man
kann direkt aus dem Fluoreszenzsignal auf die Teilchenkonzentrationen schließen.
Irgendwann ist jedoch keine Steigerung mehr möglich und die Fluoreszenzintensität geht in
einen Sättigungsbereich über. In diesem Bereich ist die Intensität nur noch von der
Teilchenzahl N abhängig. Die Abhängigkeit des Signals von der Energie des eingestrahlten
Laserlichts hängt somit von der Sättigungsintensität ab. Dabei wird in zwei Fälle
unterschieden. Ist die Energie des eingestrahlten Laserlichtes sehr viel größer als die
Sättigungsintensität, gilt:

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 11 -
B
0 12
I LIF ∝ N1
A21
Gl. 2-16
B12
+ B21
Hierbei wird der Übergang gesättigt, was dazu führt, dass die Absorption und die spontane
Emission dominieren. Somit wird das Signal unabhängig von der Laserintensität und von der
Stoßlöschrate.
Der zweite Grenzfall tritt auf, wenn die eingestrahlte Laserintensität sehr viel kleiner als die
Sättigungsintensität ist.
A
0
21
I LIF ∝ N1
B12I
v
Gl. 2-17
A21
+ BQ21
Anzumerken ist, dass hierbei die Laserenergie sowie die Stoßlöschrate bekannt sein
müssen, um eine quantitative Auswertung zu realisieren. Im Vorhinein muss die
Abhängigkeit von Temperatur und Druck erfolgen, was sehr aufwändig ist [7].
Zusammenfassend bedeutet dies, dass die Fluoreszenz bei geringen Intensitäten
proportional der Anregungsintensität ist. Bei höheren Intensitäten tritt eine Sättigung auf, und
es werden nahezu alle Fluoreszenzmoleküle angeregt und somit wird die
Fluoreszenzintensität unabhängig von der Anregungsintensität.
Neben dem Fluoreszenzvermögen, welches die Fähigkeit eines Körpers zur Umwandlung
eindringenden Lichtes in Fluoreszenzlicht beschreibt, gibt es weitere wichtige relevante
Parameter. Diese stellen die Fluoreszenzlebenszeit und die Fluoreszenzquanten-
ausbeute dar. Diese charakterisieren die Fluoreszenzeigenschaften des verwendeten
Mediums und sind durch äußere Faktoren beeinflussbar. Die Quantenausbeute stellt
praktisch gesehen den „Wirkungsgrad“ der Fluoreszenzintensität dar.
φ
F
=
k
F
k F
F
+ k
nr
k
=
k
1
τ =
k
1
τ F =
Gl. 2-18
k F
Die Fluoreszenzquantenausbeute stellt das Verhältnis der Anzahl emittierter Photonen zur
Anzahl der absorbierten Photonen dar. Je höher dieser Parameter ist, desto größer ist die
beobachtete Fluoreszenz einer Mischung. In den meisten organischen
Fluoreszenzfarbstoffen ist die Quanteneffizienz temperaturabhängig. Die Änderung ist in der
Regel relativ klein.
Durch die vorher genannten Quenchprozesse ist die Lebenszeit sichtbarer Fluoreszenz
generell kleiner als die natürliche Fluoreszenzdauer. Ebenfalls können Fremdmoleküle
innerhalb der Lösung einen Einfluss auf die Fluoreszenzlebenszeit haben, und diese stark
herabsetzen. Der Definition nach ist die Fluoreszenzlebensdauer der Zeitpunkt, bei dem sich
ein Fluorophor nach dessen Anregung mit einer Wahrscheinlichkeit von 37% = 1/e noch
immer im angeregten Zustand befindet. Die Fluoreszenzintensität I nimmt exponentiell mit

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 12 -
der Zeit t ab, und beschreibt somit die mittlere Abklingdauer. Klingt die Intensität nach einer
einfachen Exponentialfunktion ab, so gilt:
I
I
e
−t
/ τ
= 0
Gl. 2-19
Die Zeitauflösung der laserinduzierten Fluoreszenz ist im Wesentlichen durch die
Pulsfrequenz des Lasers und die mittlere Abfallszeit des LIF-Signals beschränkt. Somit
gewährleisten kurze Laser-Pulsdauern eine hohe zeitliche Auflösung, welche auch für
schnelle, turbulente Untersuchungsobjekte "eingefrorene" Momentaufnahmen ermöglicht.
Die Abklingdauer kann auch als Trägheit der Fluoreszenz betrachtet werden [32].
Eine weitere wichtige Größe ist das Verhältnis zwischen der Fluoreszenzintensität und der
Konzentration. Die Basisgleichung, die dieses Verhältnis darstellt ist nach [2]:
−ελc
I = Φ I ( 1−
e )
Gl. 2-20
F
0
Die Fluoreszenzintensitäts- Konzentrationsgleichung zeigt, dass es drei bedeutende
Faktoren gibt, welche einen Einfluss auf die Fluoreszenzintensität besitzen.
1. Die Quanteneffizienz Φ F : Diese ist von Farbstoff zu Farbstoff unterschiedlich. Je
größer der Wert wird, desto größer ist die Fluoreszenz. Eine detaillierte Übersicht ist
in [2] zu finden.
2. Die Intensität der einfallenden Strahlung I0
3. Das molare Absorptionsvermögen der Verbindungε : Zur Emittierung eines Moleküls
muss dieses zuvor Strahlung absorbieren. Je höher die molekulare Absorption ist,
desto besser ist die Fluoreszenzintensität des Gemischs.
Die Abschwächung der Ausgangsintensität des Anregungsstrahles beim Durchgang durch
ein Trägerfluid führt zu einer geringeren Anregungsintensität im Messvolumen und somit zu
gegenüber dem Ausgangssignal abgeschwächten Lumineszenz-Signal. Die Reduktion der
Strahlintensität ist im Wesentlichen von der im Trägerfluid vorherrschenden Arten und
Konzentrationen des verwendeten Fluoreszenzfarbstoffes sowie unbeabsichtigter Trübungen
abhängig.
Ein neben den vorher genannten Faktoren weiterer wichtiger Punkt stellt die
Fluoreszenzpolarisation p dar.
I'−I
''
p = Gl. 2-21
I'+
I'
'
I' steht hierbei für die Intensität der parallel zum Erregungslicht schwingenden
Polarisationskomponenten des Fluoreszenzlichtbündels und I'' steht für diejenigen der
senkrecht dazu schwingenden Komponente. Bei überwiegend Parallelkomponenten ist der
Polarisationsgrad positiv, im anderen Falle negativ.

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 13 -
Die Fluoreszenz wird durch Laserlicht (polarisiert) angeregt und die resultierende Emission
ist gleich polarisiert wie das Anregungslicht. Dabei ist das emittierte polarisierte Licht
proportional der Rotationsgeschwindigkeit der Moleküle. Wenn sich jedoch das
Farbstoffmolekül zwischen Anregung und Emission dreht, dreht sich auch die
Polarisationsebene des Fluoreszenzlichts. Das Phänomen der Fluoreszenzpolarisation gilt
jedoch nur für hinreichend zähe Lösungen, in denen die Moleküle während der
Fluoreszenzabklingdauer ihre Orientierung beibehalten. Dabei läuft die Rotationsbewegung
in zähen Lösungsmitteln langsamer als in weniger zähen ab[32]. Es hängt von der Art des
fluoreszierenden Stoffes selbst ab, welches Lösungsmittel für diesen als hinreichend zäh zu
betrachten ist.
2.2 Das Jablonski Energiediagramm
Das Zwei-Niveau-Modell reicht in der Regel nicht aus, um alle Prozesse in einem Molekül zu
beschreiben. Deshalb wird das Jablonski Energiediagramm, auch Vier-Niveau-Modell
genannt, heran gezogen. Dieses beinhaltet im Vergleich zum Zwei-Phasen-Modell die
genaueren Vorgänge, die ein Molekül bei der Anregung erfährt. In diesem werden für ein
einzelnes Molekül beispielhaft die elektronischen Zustände, die jeweils dazugehörigen
Schwingungszustände, Rotationsniveaus sowie mögliche elektronische Übergänge
dargestellt.
Abb.2 Jablonski Energiediagramm
Die Absorption führt in den in Abbildung 3 dargestellten Fällen dazu, dass das Molekül durch
Energiezufuhr aus dem Grundzustand S0 in Schwingungszustände des ersten angeregten

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 14 -
Zustandes S1 gelangt. Die dabei auftretenden Schwingungszustände besitzen im
Allgemeinen nur eine sehr kurze Lebensdauer, was dazu führt, dass das Molekül in den
einfachen angeregten Zustand übergeht. Dieser Schwingungsübergang ist eine
Energiedissipation und erfolgt strahlungslos.
Ein weiterer strahlungsloser Übergang ist die innere Konversion, wobei das System in einen
energetisch äquivalenten Schwingungszustand eines niedrigeren elektronischen Zustandes
übergeht. Aus dem angeregten Zustand geht das System spontan unter Emittierung von
Photonen, auch Fluoreszenz genannt, in den schwingungsangeregten Grundzustand über.
Die Energie des emittierten Photons ist kleiner als die Anregungsenergie und somit ist die
LIF zu längeren Wellenlängen hin verschoben. Werden nur die elektronischen Zustände
betrachtet, so ist die Energiedifferenz für die Absorption und für die Fluoreszenz gleich.
Anhand der Abbildung 2 ist aber ersichtlich, dass die Energiedifferenz unter Einbeziehen der
Schwingungszustände bei der Fluoreszenz geringer als bei der Absorption ist.
Da sich das Plancksche Wirkungsquantum direkt aus der Frequenz berechnet, ist die
Frequenz der Fluoreszenzphotonen geringer als die des Absorptionsphotons. Werden nur
die elektronischen Zustände betrachtet, ist die Frequenz gleich.
Festzuhalten ist, dass die Fluoreszenz zur Absorption rot verschoben ist. Somit sieht man
das Fluoreszenzlicht bei höheren Wellenlängen als der des Anregungslichtes. Es kann auch
vorkommen, dass das betrachtete Molekül strahlungslos vom angeregten Zustand in ein
Niveau des Grundzustandes übergeht. Neben diesem Vorgang sind weitere strahlungslose
Verläufe möglich, da vielatomige Moleküle eine große Anzahl von Vibrations- und
Rotationsfreiheitsgraden besitzen, was zu einer Überlappung der verschiedenen
elektronischen angeregten Zustände führt. Dazu gehört die strahlungslose
Interkombination(Intersystem Crossing kurz ISC), wobei das System zwischen Singulet- und
Tripletzustände hin und her wechselt. Der Wechsel aus dem Triplet- in den Singuletzustand
kann strahlungslos oder als Phosphoreszenz erfolgen. Die Anforderung der geringen
Überlappung in den Wellenlängenbereichen von Absorptions- und Emissionsbereich ist darin
begründet, dass ansonsten durch Re-Absorption ein Teil des Fluoreszenzlichts verloren
geht. Somit ist es erforderlich, dass der Absorptions- und Emissionsbereich möglichst weit
voneinander getrennt ist, um eine spektrale Trennung der Phasen durchführen zu können.
Da die Phosphoreszenz ein strahlender Übergang ist, kann diese teilweise beobachtet
werden. Zuletzt ist noch eine Anregung aus dem Singuletzustand direkt in den Tripletzustand
möglich. Jedoch ist dies genau so wie die ISC und Phosphoreszenz in der klassischen
Betrachtung nicht erlaubt. Durch die Spin Bahn Kopplung besteht aber eine geringe
Wahrscheinlichkeit für den Prozess [4]. Generell ist festzuhalten, dass die Fluoreszenz
wegen des Energieverlustes im angeregten Zustand bei einer längeren Wellenlänge als der
Absorbierten auftritt. Bei organischen Verbindungen, unabhängig von deren Zustand, ist die

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 15 -
Photolumineszenz in den weitaus meisten Fällen eine Fluoreszenz. Die Phosphoreszenz tritt
nur in Sonderfällen neben der Fluoreszenz auf und hängt dann in ihrem Mechanismus mit
dieser eng zusammen [32].
2.3 Fluoreszenztracer
Eine weitere Methode der Strömungsvisualisierung stellt die Verwendung von
Fluoreszenztracer dar. Dabei können verschiedene fluoreszierende Farbstoffe verwendet
werden. Die Methodik der Fluoreszenz dient zur Markierung eines strömenden Fluids, um
das Strömungsverhalten zu repräsentieren.
Voraussetzung ist, dass der Farbstoff mit der vorhandenen Laserwellenlänge angeregt
werden kann. Weitere Aspekte sind die Löslichkeit in Wasser bzw. weiteren Lösungsmitteln,
sowie die Repräsentation der Strömungsbewegung, eine gute quantitative Erfassbarkeit mit
niedrigen Nachweisgrenzen, die Entsorgbarkeit und der Preis. Die Voraussetzung der
Anforderung der Wasserlöslichkeit grenzt die Verwendbarkeit der Fluoreszenzfarbstoffe ein.
Die Begründung liegt darin, dass es sich um organische Stoffe handelt, die meist ein
hydrophobes Verhalten ausweisen, wodurch diese für einen Transport in Wasser ungeeignet
sind.
2.3.1 Anforderungen an Fluoreszenzfarbstoffe
Der zur Strömungsvisualisierung eingesetzte Fluoreszenztracer muss eine Reihe
besonderer Eigenschaften besitzen, damit die Fluoreszenz mit einer minimalen Änderung
bzw. Beeinflussung der Strömung erfasst werden kann. Der verwendete Tracer soll mit den
untersuchten Molekülen, die nicht fluoreszieren, auf homogene Weise und idealerweise mit
einer bekannten Konzentration gemischt werden können. Weiterhin sollen die
Tracermoleküle dem zu untersuchenden Gas beziehungsweise der Flüssigkeit folgen.
Allgemeine Anforderungen an einen guten Tracer sind:
• Das Absorptionsspektrum des Tracers liegt im Bereich der Wellenlänge des zur
Verfügung stehenden Lasers
• Um eine gute Trennung von Fluoreszenz- und Streustrahlung zu realisieren, sollte das
Fluoreszenzspektrum zur Anregungswellenlänge deutlich frequenzverschoben sein
• Ein linearer Zusammenhang zwischen der Fluoreszenzintensität und der
Tracerkonzentration im Gemisch
• Gute Löslichkeit im zur Verwendung stehenden Medium
• Ein linearer Zusammenhang zwischen Fluoreszenzintensität und Energiedichte der
Laseranregung ohne das Auftreten von Sättigungseffekten

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 16 -
• Zur Minimierung der Absorption des Laserlichtschnitts im Messvolumen sollte der
Tracer optisch dünn sein
• Eine kurze Fluoreszenzlebensdauer für eine gute zeitliche Auflösung
• Geringe Abschwächung der Fluoreszenzintensität durch Quenching
• Geringe toxische Eigenschaften und keine chemische Aggressivität gegenüber
Komponenten der Versuchsstrecke
2.3.2 Konventionelle Fluoreszenztracer
Konventionelle wasserlösliche Fluoreszenztracer, die in vielen Anwendungsbereichen eine
Verwendung finden sind:
• Uranin (Natriumfluoreszin): Dieses gehört zusammen mit dem Eosin und den
Rhodaminen zur Gruppe der Xanthenfarbstoffe. Dieser Farbstoff ist sehr gut
nachweisbar, preisgünstig und lichtempfindlich. Die Sichtbarkeitsgrenze des
Fluoreszenztracers hängt hauptsächlich von der Schichtmächtigkeit des Wassers ab.
Es wird durch Oxidationsmittel (Chlor, Chlordioxid, Ozon) irreversibel oxidiert. Dieser
Stoff besitzt eine geringe Sorptionsneigung und ist vom PH-Wert abhängig. In saurem
Wasser mit einem PH-Wert unter 5,5 erhält Uranin deutlich sorptive Eigenschaften, da
eine Änderung in der Molekülstruktur erfolgt.
• Eosin: Eosin ist ebenfalls ein guter Fluoreszenztracer und ist im Vergleich zum Uranin
weniger vom PH-Wert abhängig und noch lichtempfindlicher. Somit ist eine
lichtgeschützte Probenaufbewahrung erforderlich.
• Naphthionat: Dieser Farbstoff fluoresziert im Blaubereich. Je nach optischer Reinheit
des Wassers kann ein mehr oder weniger hoher, störender analytischer
Messuntergrund auftreten. Naphthionate besitzen im Vergleich zu Uranin und Eosin
wesentlich schlechtere Nachweisempfindlichkeiten. Somit eignet sich dieser Stoff für
kurze Versuchsdistanzen.
• Rhodamin Farbstoffe: Diese fluoreszierenden Farbstoffe besitzen chemisch ähnliche
auf den Xanthen basierenden Strukturen. Hierbei gibt es verschiedenste Unterarten.
Dazu zählen: RhodaminB, Rhodamin6G, Sulforhodamin110. Abhängig von der Struktur
des Rhodamin fluoreszieren diese von gelb-grün bis orange-rot. Verwendung finden
diese in Farbstofflasern, als Marker in der Zellbiologie oder zur
Strömungsvisualisierung.
• Coumarin: Dieser Fluoreszenzfarbstoff ist im Vergleich zu den Rhodaminen relativ
teuer. Dabei wird in verschiedene Unterarten wie Coumarin 47 und Coumarin 307
unterschieden. Verwendet werden diese in Farbstofflasern. Ein wichtiger Aspekt ist,
dass diese relativ Temperaturunempfindlich sind.

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 17 -
Verbindung Erstes
Absorptionsband(nm)
Fluoreszenzband(nm) Fluoreszenzfarbe
Eosin 450-560 (517) 520-600(540) starkes Gelb
RhodaminB 480-600 (550) 550-700(605) starkes Rot
Rhodamin6G 480-590(526) 536-602(555) starkes Gelb
Pyronine B 540-590 560-650 mittleres Orange
Rheonine A UV, 510 470-650 schwaches Grün
Acridine 300-450 400-480 mittleres Blau-Violett
Fluorescine 440-520(494) 510-590(515) Sehr starkes Gelb-Grün
Tabelle1 Absorptions- und Fluoreszenzband Wasserlöslicher oder Alkohollöslicher Farbstoffe[2]
UR = Uranin SRG = Sulphorhodamin G extra, RB = Rhodamin B
SRB = Sulphorhodaim B EO = EOSIN PYR = Pyranin
NA = Naphthionat DFG = Duasyn Fluoreszenzgelb
Abb.3 Spektralbereiche und relative Fluoreszenzintensitäten einiger Fluoreszenztracer
Um einen Energietransfer der Farbmoleküle untereinander zu vermeiden, sollte ein
hinreichend großer mittlerer Molekülabstand eingestellt werden. Dies geschieht über eine
geeignete Konzentration in der Lösung. Aufgrund der hohen Anregungsintensität des Lasers
kann die LIF in sehr verdünnte Lösungen durchgeführt werden. Das hat den Vorteil, dass
sich über Konzentrationsbereiche von etwa 10 -5 bis 10 -11 Mol/l lineare Analysefunktionen
ergeben [1]. Rhodamin 6G ist ein primärer Standardfarbstoff zur Strömungsvisualisierung
mittels Fluoreszenztracer, welcher in dieser Arbeit verwendet wurde.
2.4 Das Absorptionsspektrum von Rhodamin 6G
Rhodamin 6G ist ein kommerzieller Laserfarbstoff, der mit 95% eine sehr gute
Quantenausbeute besitzt. Weiterhin ist dieser preiswert, sicher und sparsam in der
Anwendung. Es liegt als Feststoff in Form von Salz vor und besitzt keinen Siedepunkt.
Aufgrund seiner ionischen Struktur (vgl. Abb. 6) lässt sich das Rhodamin am besten in

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 18 -
polaren Flüssigkeiten wie z.B. Wasser lösen. Polar bedeutet hierbei, dass im Molekül
positive und negative Teilladungen vorhanden sind. Die Lösung in unpolaren Flüssigkeiten
wie Kerosin oder Diesel ist nur mit Hilfe eines Lösungsvermittlers möglich, welcher sowohl
polare als auch unpolare Eigenschaften besitzt. Alkohole sind dafür geeignete Stoffe.
Festzuhalten ist, dass dieser Farbstoff eine gleich bleibende Fluoreszenzintensität über die
Zeit [11] besitzt. (Charakteristisch formuliert gilt: Bei den mit Rhodamin gefärbten Stoffen
wird die grüne Komplementärfarbe des Anregungsmediums absorbiert, und zum Teil in
langwelligere, orangenfarbene Strahlen umgewandelt). Die Rhodamin-Kristalle sind bei einer
trockenen und kühlen Lagerung unbegrenzt lagerfähig. Die aufbereitete Lösung kann bis zu
einem Jahr aufbewahrt werden, und ist in dunklen Flaschen sowie in einem Abzugsschrank
zu lagern.
Der in dieser Arbeit verwendete Farbstoff stammt von der Firma Sigma Aldrich. Die
wichtigsten Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
Laserfarbstoff Rhodamin 6G
Quanteneffizienz F Φ
0,95
Molekulare Formel C28H31N2O3Cl
Molekulares Gewicht 479.01
Äußeres Erscheinungsbild Brau-rotes Pulver
Löslichkeit Dunkelrote Lösung in Wasser bei 1mg/ml
Elementare Analyse 66,5-74% Carbon, 5-6,2% Nitrogen
UV/Sichtbares Spektrum E1% = Größer als 1700 bei λ maximal
525nm in Wasser
Fluoreszenzmaximum 556nm
Maximale Wellenlänge ~524nm
Tabelle 2 Technische Daten des Farbstoffs [Sigma-Aldrich]
Abb.4 Absorptionsspektrum des Rhodamin 6G in Ethanol

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 19 -
Struktur des Kations
Abb.5 Absorptionsspektrum des Rhodamin 6G in Wasser
Abb.6 Strukturformel Rhodamin 6G
2.4.1 Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang mit Rhodamin 6G
Bei der Arbeit mit Rhodamin 6G ist es empfehlenswert, mit Gummihandschuhen und einer
Sicherheitsbrille zu arbeiten. In Kombination mit Lösungsmitteln sollte dies in einem
Abzugsschrank gemischt werden. Bei der Anregung des Farbstoffes mittels Laserlicht ist
ebenfalls eine Schutzbrille erforderlich.
2.5 Vor- und Nachteile der LIF
Wie bei jedem Messprinzip gibt es charakteristische Stärken und Schwächen. Im folgenden
Abschnitt werden die neben den bereits genannten generellen Vor- und Nachteile der
Laserinduzierten Fluoreszenz noch weitere dargestellt.
2.5.1 Vorteile
Neben dem primären Vorteil des berührungslosen Messprinzips gibt es weitere
Eigenschaften, die die LIF auszeichnen. Dazu gehören:

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 20 -
• Hohe Orts- und Zeitauflösung
• Bestimmung relativer wie absoluter Teilchendichten
• Fluoreszenz lässt sich mit einfachen Mitteln sehr präzise messen
• Konzentrationsmessungen sind möglich
• Hervorragende Empfindlichkeit
• Großer linearer Bereich der Analyse
• Größe der Fluoreszenzmoleküle ist konstant und klein zugleich
• Sehr schnelle Reaktionszeit
Anregung mittels eines Lasers:
• Intensive Anregung der Fluoreszenz und damit eine hohe Analyseempfindlichkeit
• Hohe Monochromasie ermöglicht eine bessere selektive Anregung
• Nahezu 100% des Laserlichts wird zur Anregung verwendet
• Sehr gut fokussierbar
2.5.2 Grenzen der Fluoreszenz
Grenzen der Fluoreszenz stellen im Allgemeinen Einschränkungen dar. Neben dem Nachteil,
dass Fluoreszenztracer durch Oxidationsmittel zerstört werden, sollen hier die kurz
zusammengefasst werden.
2.5.2.1 Photochemischer Zerfall
Die kontinuierliche Anregung von organischen Farbstoffen führt zu einer Reduktion in der
Fähigkeit, Licht zu absorbieren und zu emittieren. Diese Reduzierung tritt auf, wenn einige
Farbmoleküle entweder temporär oder permanent durch die Lichtquelle gebleicht werden.
Das UV-Licht kann photochemische Veränderungen der Fluoreszenzverbindung hervorrufen,
bzw. diese auch zerstören. Um dies zu verhindern, gibt es drei Maßnahmen.
a) Nur die Nutzung der längsten Wellenlänge der Strahlungsanregung.
b) Messen der Fluoreszenz direkt nach der Anregung.
c) Geschützt vor UV-Strahlung aufbewahren.
Auch während des Experiments kann dieses Phänomen auftreten. Vor allem bei kleinen
Strömungsgeschwindigkeiten ist dies der Fall. Werden jedoch nur Konzentrationsmessungen
durchgeführt, kann dieser Effekt außer Acht gelassen werden. In diesem Fall ist es möglich,
durch eine Kalibrierung der LIF Probe in der Position bei den Geschwindigkeiten, bei denen
das Experiment durchgeführt wird, dieses Phänomen auszuschließen [13].

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 21 -
2.5.2.2 Einfluss der Viskosität auf die Fluoreszenz
Die Fluoreszenz einer Verbindung wird durch die Viskosität des Mediums beeinträchtigt und
steigt mit zunehmender Viskosität an. Der Energietransfer wird durch die Reduzierung der
Molekularen Zusammenstöße reduziert. Deshalb kann die Fluoreszenz der meisten
Verbindungen durch eine viskosere Verbindung wie Glycerol oder Gelatine erhöht werden.
Einsteins Arbeit bzgl. der Diffusion von Partikeln (1906) führt auf die bekannte Stokes-
Einstein-Gleichung, welche den Diffusionskoeffizienten einer Umgebung wiedergibt:
kT
D =
ζ
Gl. 2-22
Wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und ζ der Reibungskoeffizient
ist. Für eine Translations- oder Rotationsdiffusion ist der Diffusionskoeffizient:
D r
kT
Dt =
6πηr
Gl. 2-23
kT kT
3
8πηr
6ηV
= = Gl. 2-24
Hierbei ist r der hydrodynamische Radius der Umgebung und V das hydrodynamische
Volumen. In allen Fluoreszenztechniken unterliegt die Beurteilung des Fließvermögens einer
fluoreszierenden Flüssigkeit den physikalischen Eigenschaften. Diese ist ein
Diffusionskoeffizient, welcher den Widerstand der umgebenden Moleküle widerspiegelt. Das
Hauptproblem liegt in der Beziehung der Diffusionskonstante zur Viskositätη . Dies führt zu
einem Problem, da die Gleichungen für Dt und Dr nur für eine große Umgebung bezogen auf
die molekularen Dimensionen gültig sind. Es gibt keine zufrieden stellende Beziehung
zwischen der Diffusion und der Volumenviskosität einer Probe [4]. Der Hauptgrund liegt
darin, dass die Größe der Probe mit den umgebenden Molekülen, die die Mikroumgebung
der Probe bilden, vergleichbar ist.
In anderen Worten ist die Viskosität ein makroskopischer Parameter. Jede Bemühung der
Ermittlung eines absoluten Wertes der Viskosität eines gemessenen Mediums mittels einer
fluoreszierenden Probe ist hoffnungslos [4].
2.5.2.3 PH-Wert-Abhängigkeit
Einige Fluoreszenztracer bzw. deren Fluoreszenzintensität sind abhängig vom PH-Wert. Mit
einer Änderung des PH- Wertes ändert sich die Symmetrie des Konjugationssystems, was
eine Auswirkung auf die Lichtabsorption und die Fluoreszenz selbst hat. Dieses Phänomen
ist insbesondere bei Molekülen mit sauren oder basisch funktionellen Gruppen von
Bedeutung. Als wichtige Tracer, bei denen die Abhängigkeit des PH-Wertes besonders stark

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 22 -
ausgeprägt ist, sind Uranin und Phyranin. Somit ist zur Messung von Fluoreszenzsignalen
die Einhaltung einer bestimmten pH-Wertes der zu messenden Lösung einzuhalten. Dieser
offensichtliche Nachteil stellt jedoch die Möglichkeit dar, die Fluoreszenztracer als PH-Wert
Indikatoren einzusetzen. Der PH-Wert ist reversibel [8].
U = Uranin RG = Aminodorhodamin RB = Rhodamin B N = Naphthionat
RWT = Rhodamin WT E = EOSIN P = Pyranin
2.5.2.4 Löschung
Abb. 7 PH-Wert-Abhängigkeit einiger Fluoreszenzfarbstoffe[8]
Wie bereits in Abschnitt 3.1 unter Phänomene des Zwei-Niveau-Modells erwähnt, gibt es
verschiedene Arten von Löschungsphänomen. Diese lassen sich unterteilen in:
a) Temperaturlöschung: Es gibt einen tendenziellen Zusammenhang zwischen der
Fluoreszenz löslicher Moleküle in flüssigen Lösungen. Dies bedeutet, dass bei einer
ansteigenden Temperatur die Fluoreszenz abnimmt [32]. Dies liegt darin begründet,
dass nicht strahlende Abklingraten (ISC und/oder innere Konversion) mit steigender
Temperatur zunehmen [2]. Der Grad der Temperaturabhängigkeit ist von Verbindung
zu Verbindung unterschiedlich [4]. Eine Änderung der Fluoreszenz liegt normaler-
weise bei 1% pro 1°C [2]. Dieser Effekt ist analytisch unwichtig, solange das
Lumineszenzverhalten oder der gelöste Stoff nicht durch ein Temperaturabhängiges
Phänomen (Stoßlöschung, Wasserstoffbindung) gestört wird oder wenn zwei
elektronisch angeregte Zustände der Lösung bezüglich der Energie gleich sind.
Beispielsweise bei Rhodamin B beträgt die Temperaturempfindlichkeit 2,3% je Kelvin
[16/12]. Somit ist es für eine genaue Untersuchung erforderlich, die Temperatur zu
kontrollieren. Dieser offensichtliche Nachteil macht jedoch die Untersuchung von
Temperaturmessungen möglich. Schorr [9] untersuchte die Temperaturabhängigkeit
des Rhodamin 6G, welches in Ethanol gelöst wurde, und fand keinen signifikanten

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 23 -
Änderungen der Fluoreszenz im betrachteten Temperaturbereich von 6-59°C. Auch
die Form des Spektrums blieb erhalten.
b) Löschung durch Sauerstoff: Der in einer Lösung vorhanden Sauerstoff reduziert die
Fluoreszenz einer Verbindung. Sauerstoff muss zur Phosphorimetrie komplett
entfernt werden. Dies geschieht durch das ruhen lassen der Fluoreszenzmischung.
c) Konzentrationslöschung: Wie vorher genannt, ist die Fluoreszenzintensität
proportional zur Absorption. Wenn die Absorption zu hoch ist, kann kein Licht
durchdringen, um eine Anregung zu erzeugen. Um die konzentrationsbedingte
Strahlabschwächung zu vernachlässigen, muss die Strahldurchgangslänge durch die
Lösung möglichst kurz gehalten werden. Zusammengefasst bedeutet dies, dass die
Konzentrationslöschung mit zunehmender Konzentration in einer Abnahme der
Fluoreszenzausbeute resultiert.
d) Löschung durch Verunreinigungen/Fremdstoffe: Wenn sich Verschmutzungen in
einer Konzentration befinden, resultiert dies in Interferenzen. Diese Art der
Interferenz macht sich in einer Stoßlöschung, einem Energietransfer oder in einem
Ladungswechsel bemerkbar. Eine Fluoreszenzänderung dieser Art, die weder durch
optische Filterwirkung noch durch chemische Umwandlungen zustande kommt, wird
als Fluoreszenzlöschung bezeichnet. Die Löschung beruht hier allein auf die
Änderung der inneren Fluoreszenzquantenausbeute infolge der Anwesenheit des
Fremdstoffes. Dabei wird die Fluoreszenzabklingdauer beeinflusst.
e) Löschung durch Lösungsmittel: Die Löschwirkung eines Stoffes auf die Fluoreszenz
hängt vom Lösungsmittel und dessen Zustandsveränderlichen (Temperatur, PH-
Wert) ab. Ein wichtiger Einflussparameter stellt in vielen Fällen die Zähigkeit des
Lösungsmittels dar. Generell bedeutet dies, dass die Löschwirkung eine Funktion der
Lösungsmittelzähigkeit ist[32]. Je höher die Zähigkeit, desto stärker ist die Löschung.
„Jedoch bestimmt die Lösungsmittelzähigkeit vorherrschend, aber nicht
ausschließlich die Löschung“ [32].
Tabelle 3 Fluoreszenzlöschung von Rhodamin B in Lösungsmitteln verschiedener Zähigkeit [32]

2. Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) - 24 -
2.5.2.5 Begrenzungen durch den Laser
Die Eigenschaften von Laserstrahlen, wie die Frequenz, Leistung, Strahlprofil und
Polarisation sind nicht stabil, sondern schwanken, was sich störend auf viele Anwendungen
auswirkt.
Die Schwankungen der Leistungsstabilität des elektrisch angeregten Lasers sind abhängig
vom Netzgerät. Parameter die diese beeinträchtigen, sind Temperaturänderungen im
Netzgerät sowie Schaltfrequenzen des Gerätes. Weitere beeinflussende Faktoren stellen
Erschütterungen und akustische Störungen dar, wodurch Spiegelbewegungen und
Veränderungen im Strahlengang resultieren können. Auch das aktive Medium selbst kann
einen Einfluss auf die Leistungsstabilität besitzen.
Neben den Intensitätsfluktuationen treten auch Richtungsschwankungen auf. Diese werden
durch Änderungen der Position des Laserrohres im optischen Resonator hervorgerufen.
Da Licht als Photonenstrom aufgefasst werden kann, treten Schwankungen der Amplitude
und Leistung auf. Die Leistungsschwankung wird als Schrotrauschen bezeichnet. Dieses
Rauschen begrenzt die Genauigkeit von Experimenten, bei denen kleine
Leistungsänderungen gemessen werden, wie beispielsweise Absorptionsmessungen.

3. Strömungsvisualisierung - 25 -
3. Strömungsvisualisierung
Neben der im vorhergehenden Abschnitt genannten Visualisierungsmethode von
Strömungsvorgängen können weitere verschiedene Herangehensweisen verwendet werden.
Dazu zählen:
• Oberflächenspuren
o Ölfilm: Das Testmodell wird mittels eines Gemischs aus Öl und Farbe bestrichen. Die
auftretenden Scherkräfte der Strömung wirken auf den Ölfilm und erzeugen so
Streifenmuster in der aufgetragenen Farbe.
o TLC: Hierbei wird eine dünne Schicht eines fluoreszierenden Materials aufgebracht,
welches abhängig von der Temperatur seine Farbe oder Phase ändert. [Studienarbeit
S.Kimmig am LS VFA]
• Direkteinspritzung
o Streichlinienverfahren: Hierbei wird ein flüssiges Medium kontinuierlich durch kleine
Röhrchen bzw. Kanäle im Testmodell in die Strömung eingespritzt.
o Suspension: Hierbei wird eine kleine Menge fester Spurenelemente (Tracer)
• Wollfäden
gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt. Die Charakterisierung der Strömung wird durch
den Weg, welchen der Tracer nimmt, bestimmt.
o Diese werden an der Oberfläche des Modells befestigt. Die Strömungsvisualisierung
erfolgt durch das Ausrichten der Fäden entlang der vorherrschenden Strömung.
• Chemische Reaktionen
o Elektrolytisch: Diese Methode kann verwendet werden, wenn es sich als Medium um
Wasser handelt. Durch die Metallbeschichtung des Modells werden aufgrund der
Elektrolyse Tracer freigesetzt, welche zur Sichtbarmachung verwendet werden.
Tracer lassen sich generell nach [8] untergliedern in:
ISOTOPEN
- stabil
- radioaktiv
Tracer
Umwelttracer Künstliche Tracer
CHEMISCHE
VERBINDUNGEN
- ionisch
- nichtionisch
ZIVILISATORISCHE
STOFFE
- chemische Stoffe
- radioaktive Stoffe
PARTIKEL-
TRACER
- Sporen
- Bakterien
- Phagen
- Fluoreszierende
Mikropartikel
Abb. 8 Einteilung der Tracer
CHEMISCHE
TRACER
- Salze
- Fluoreszenztracer
RADIOAKTIVE
TRACER
- Anionen
- Kationen

4. Strömungsmischvorgänge - 26 -
4. Strömungsmischvorgänge
4.1 Einteilung und Kriterien des Mischens
Mischungsvorgänge treten als ein für die Produktqualität und Verfahrensausbeute
bestimmender Prozessschritt in zahlreichen Verfahren der chemischen, pharmazeutischen,
technischen sowie der Lebensmittelindustrie auf. Dabei werden Massenteilchen in einem
vorgegebenen Volumen verteilt, wobei sich wenigstens eine Eigenschaft unterscheidet.
Solche Eigenschaften können beispielsweise die chemische Zusammensetzung, der
Aggregatszustand, die Dichte oder die Temperatur sein.
Je nach der Beschaffenheit der zu vermischenden Komponenten kann in verschiedene
Mischarten unterschieden werden:
• Vermischen von ineinander löslichen Flüssigkeiten. Mischen von Gasen
[Homogenisieren].
• Verteilen von nicht mischbaren bzw. nur begrenzt löslichen Flüssigkeiten
[Emulgieren].
• Mischen von Gasen in einer Flüssigkeit [Begasen, Dispergieren].
• Das Verteilen eines partikelförmigen Feststoffes in einer Flüssigkeit [Suspendieren].
• Verteilen von Flüssigkeiten in Gasen [Zerstäuben].
• Mischen von Feststoff/Feststoff-Systemen [Feststoffmischen].
Alle verwendbaren Mischprozesse dienen dazu, die vorliegenden Konzentrations- als auch
Temperaturgradienten zwischen den zur Vermischung vorliegenden Phasen auszugleichen.
Dies kann auf makroskopischer Ebene durch eine Konvektion und auf molekularer Ebene
durch Diffusion geschehen. Unter der Diffusion versteht man die Mischung zweier
Flüssigkeiten aufgrund der Brown`schen Molekularbewegung. Diese tritt auf, wenn ein
Konzentrationsgefälle zwischen zwei Medien besteht, und es kommt zu einem
Konzentrationsausgleich.
Im ersten Teil des Makromischens werden einzelne Teilvolumen durch den konvektiven
Transport verteilt. Lokale Konzentrationsschwankungen und die Ausdehnung der
Teilvolumen bleiben dabei im Wesentlichen erhalten. Es tritt lediglich eine Deformation
infolge der viskosen Reibung auf. Im zweiten Teil werden die Abmessungen der Teilvolumen
abhängig von der Viskosität der Fluide durch einen molekularen oder einen turbulenten
Impulsaustausch reduziert. Dadurch wird die Größe der Teilvolumen bis auf einen Grenzwert
verringert. Dieser Wert kennzeichnet den Übergang von der Makro- zur Mikrovermischung,
wobei unterhalb des Wertes die Volumenelemente durch turbulente Schwankungs-
bewegungen nicht weiter zerteilbar sind. Der weitere Konzentrationsausgleich wird
ausschließlich durch die molekulare Diffusion verursacht.

4. Strömungsmischvorgänge - 27 -
Zur Realisierung der Mischung werden in der Technik verschiedenste Apparaturen
verwendet. Dabei wird in kontinuierliche und in instationäre Mischer unterschieden.
Ein in der Technik wichtiger kontinuierlicher Mischprozess findet beispielsweise in
Gasturbinen statt. Hierbei wird mittels eines Drallerzeugers dem Brennstoff-Luft-Gemisch
eine definierte Umlenkung zugeführt. Die Gemischbildung stellt einen wichtigen
Einflussparameter für die Art und Zusammensetzung der bei der Verbrennung entstehenden
Schadstoffemissionen und die Höhe des Brennstoffverbrauchs dar. Dieser ablaufende
Verbrennungsprozess wird generell als stationär betrachtet. Jedoch treten bei der
Verbrennung instationäre Vorgänge auf. Diese können durch Strömungsphänomene wie
Wirbelablösungen oder durch Brennkammerschwingungen induziert werden.
Abb. 9 Typischer Rohrbrennkammer-Aufbau
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Mischvorgang im Wesentlichen die
Geschwindigkeit des Reaktionsprozesses beeinflusst. Eine zu langsame Vermischung kann
unter Umständen unerwünschte Nebenprodukte hervorrufen, welche die Produktqualität
negativ beeinflussen können.
Charakterisiert wird die Mischung anhand von Volumenstromverhältnissen oder
Massenverhältnissen.
4.2 Mischungsvorgänge in der Technik und die Anwendung von LIF
Die Untersuchung von Mischungsvorgängen kann verschiedene Gründe haben. Viele in der
Industrie verwendete Mischverfahren sind aufgrund von fehlenden Erkenntnissen im
Mischungsprozess ineffizient. Um diese Phänomene genauer zu verstehen, kann die LIF-
Technik zur Untersuchung dieser herangezogen werden. Durch die Möglichkeit der

4. Strömungsmischvorgänge - 28 -
Detektion von einzelnen fluoreszierenden Molekülen, Farbzentren oder auch Nanopartikeln
hat diese Technik in vielen Forschungsgebieten an Bedeutung gewonnen.
Wie bereits vorher beschrieben, findet die LIF-Technik in den verschiedensten Bereichen
eine Verwendung. Eine kurze beispielhafte thematische Übersicht dieser wird im Folgenden
behandelt.
Einsatzbereich in der Ziel/ Ermittlung von:
• Untersuchung des Fließverhaltens von Wasser
Hydrogeologie
• Grundwassererfassung und Quellen
� Mittels Markiertechnik ist eine Abgrenzung von
Fassungs- und Quelleinzugsgebieten möglich
• Untersuchung der Gemischbildung, Kraftstoffmischung
und Verbrennungsprozesse in Motoren
� Spraydiagnostik(Direkteinspritzung in den
Kraftfahrzeugtechnik
Zylinder)
� Selektiver Nachweis einzelner Spezies sowie
deren räumliche Verteilung
� Ausnutzung der Fluoreszenz des OH-Moleküls
• Untersuchung von Mischungsvorgängen im
Fertigungstechnik
Stranggießverteiler �Ermittlung der Stahlqualität
• Leiterplatteninspektion
• Untersuchung von Gasturbinenbrennkammern
Gasturbinen
� Bestimmung von Brennstoffverteilung, Flammenausbreitung,
Flammenlärm und Temperaturfelder
� Spraydiagnostik
Kinetik • Bestimmung von Geschwindigkeiten
• Mittels Fluoreszenz-Markiertem Antikörper: Nachweis
spezifischer Antigene in und an Zellen möglich
� Mittels Fluoreszenz werden Strukturänderungen
Medizin und Biologie
innerhalb von Molekülen und die Interaktion
zwischen den Molekülen nachgewiesen
� Biologische Prozesse mittels Farbstoffmoleküle
verfolgbar
Mikroverfahrenstechnik
• Lokale Analyse von Strömungs-
Konzentrationsfeldern in Mikromischern
und
Chemische, Pharmazeutische, • Untersuchung von Vermischungsvorgängen und
Nahrungsmittel und
Strömungsstrukturen in einem „Rushton reactor“
Biochemische Industrie • Verfolgung chemischer Reaktionen
• Konzentrationsmessungen in der Fluoreszenz-
Analytischen Chemie
spektrometrie
• Verfolgung chemischer Reaktionen
4.3 Zweiphasenströmung
Tabelle 4 Einsatzbereiche der Laserinduzierten Fluoreszenz
In einer Zweiphasenströmung werden zwei Stoffe mit unterschiedlichen Aggregatszuständen
betrachtet. Diese treten in den verschiedensten Bereichen auf. Dazu gehören biologische
Prozesse, Spray-Prozesse, Grundwasserströmungen, Strömungs-Partikel-Transport und
Filtration, um nur einige Beispiele zu nennen.

4. Strömungsmischvorgänge - 29 -
Die Begriffe Strömungsrichtung und Strömungszustand werden traditionell zur
Klassifizierung der Zweiphasenströmung verwendet. Die Strömungsrichtung zeigt die
sichtbare Verteilung der Struktur der Phase. Dagegen beschreibt der Strömungszustand,
welchen Einfluss die Phasenverteilung auf das physikalische Verhalten des Systems hat.
Somit erfordern verschiedene Strömungszustände verschiedene Modelle. Andererseits
weisen verschiedene Strömungsrichtungen sichtbare Unterschiede der Phasenstruktur auf.
Zwei bekannte Strömungszustände sind die laminare und die turbulente Strömung.
Wärme und Stoffübergang, Impulsverlust, Rückmischung und die Verweildauer variieren mit
dem Strömungszustand. Die mathematische Modellierung der Zweiphasenströmung mit den
verschiedenen Phasenverteilungen sowie Strömungsrichtung und Strömungszustand erlaubt
die Einteilung in zwei Hauptgruppen, quasi homogene bzw. einfache Mischströmungen und
separierte Strömungen zusammenwirkender Medien [34].
Mischströmungen oder quasi homogene Strömungen können angenommen werden, wenn
zwei oder mehr Medien so sehr vermischt werden, dass diese als Einphasenströmung
auftreten (typischerweise Flüssigkeiten mit gemittelten Fluideigenschaften). Beispiele dafür
sind: kleine Tonpartikel in Wasser und Verfestigende Suspensionen wie Emulsionen
(verteilte dicke Tropfen in einer Flüssigkeit wie Milch). Separierte Strömungen können
auftreten, wenn a) die Phasen erkennbar sind (strömen Seite an Seite) oder b) eine Phase in
die zweite Phase eingebettet ist und wenn sich diese beiden gegenseitig beeinflussen.
Die in dieser Arbeit untersuchte Zweiphasenströmung stellt die Vermischung von Kerosin mit
Luft im Untersuchungsmedium Wasser dar.
4.3.1 Aggregatsmischungen
Die Vermischung zweier Medien kann auf verschiedenste Arten erfolgen. Da in dieser Arbeit
die Vermischung zweier Flüssigkeiten betrachtet wird, werden hier weitere Mischarten nur
kurz erläutert.
Gas – Flüssig
Bei einer Zweiphasenströmung treten je nach den vorliegenden Volumenanteilen der Gas-
und Flüssigkeitsphase verschiedene Strömungsformen auf. Diese lassen sich unterteilen in
adiabate und in nichtadiabate Systeme. Für eine aufwärts gerichtete Zweiphasenströmung in
einem senkrechten und in einem waagerechten Rohr lassen sich nach [28] folgende
Strömungsbereiche angeben:
• Blasenströmung
� Hierbei liegt die Gasphase verteilt in vielen Blasen in einem kontinuierlichen
Flüssigkeitsstrom vor. Dieser Strömungsbereich tritt bei kleinen
Gasvolumenanteilen auf.

4. Strömungsmischvorgänge - 30 -
• Pfropfenströmung
� Das Gas strömt hier als Pfropfen, welche fast den gesamten Rohrquerschnitt
ausfüllen. Zwischen den Pfropfen befindet sich die Flüssigkeit, welche kleine
Blasen enthalten kann.
• Schaumströmung
� Diese Strömungsart stellt den Übergang zwischen der Pfropfen- und der
Ringströmung dar und entsteht, wenn die Turbulenz bei der Pfropfenströmung
erhöht wird. Diese Strömung ist durch unregelmäßig große und kleine Blasen mit
instabilen Eigenschaften charakterisiert. Primär tritt diese bei größeren
Rohrdurchmessern und Drücken auf.
• Ringströmung
� Hierbei bewegt sich an der Wand ein Flüssigkeitsfilm, wobei das Gas im Kern mit
einer wesentlich höheren Geschwindigkeit strömt.
• Schichten- , Wellen- und Schwallströmung
� Ausgehend von der Ringströmung, wobei der Flüssigkeitsfilm sehr unregelmäßig
und pulsierend strömt, wird von einer Schwallströmung gesprochen.
� Die Schichtenströmung tritt in waagerechten Rohren bei sehr kleinen
Geschwindigkeiten auf. Hierbei sind beide Phasen vollständig getrennt. Wird die
Gasgeschwindigkeit erhöht, bilden sich Wellen (Wellenströmung) und später
unregelmäßige Schwälle (Schwallströmung).
• Spritzerströmung
� Hierbei wird die gesamte Flüssigkeit in Form von Tropfen mittels des Gases
transportiert. Diese Strömung tritt nur bei hohen Gasgeschwindigkeiten und
geringen Flüssigkeitsvolumenanteilen auf.
Abb. 10 Strömungsformen bei der Aufwärtsströmung im senkrechten Rohr

4. Strömungsmischvorgänge - 31 -
Abb. 11 Strömungsformen bei der Aufwärtsströmung im senkrechten Rohr
Eine Zweiphasenströmung von Gas und Flüssigkeit ist durch eine sich zeitlich und örtlich
ändernde Phasengrenze und den zwischen den beiden Phasen auftretenden
Wechselwirkungskräfte gekennzeichnet. Dabei treten weitere zu berücksichtigende
Einflussgrößen wie unterschiedliche Massenströme, Dichten, dynamische Zähigkeiten, sowie
Oberflächenspannungen auf.
Gas-Gas
Das Vermischen zweier ursprünglich voneinander getrennter Gase erfolgt mittels Diffusion,
wobei sich abhängig von den thermodynamischen Eigenschaften der zwei Gase ein
einheitliches (homogenes) Gasgemisch herausbildet. Um den Prozess des Vermischens zu
beschleunigen, können die Gase durch verwirbeln vermischt werden.
Flüssig - Flüssig
Das Mischen von Flüssigkeiten kann durch Rührer bzw. auch durch das Zusammenbringen
zweier Strömungen anhand eines Drallkörpers erfolgen. Hierbei läuft der Mischprozess umso
schneller ab, je größer die Phasengrenzfläche und je größer der Impulsaustausch zwischen
den zu mischenden Stoffen ist. Die Größe der Phasengrenzfläche sowie die Größe des
Impulsaustauschs hängen vom verwendeten Rührer bzw. vom Strahlmischer ab.
Die Aufgabe solcher Elemente besteht darin, die Volumen der beiden Komponenten in
kleinere Elemente aufzulösen. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, die Volumenelemente so
zu fördern, dass sich zwischen den Elementen ein großes Geschwindigkeitsgefälle sowie ein
hoher Turbulenzgrad auftreten. Durch diese beiden Maßnahmen wird ein hoher
Impulsaustausch herbeigeführt, welcher einen zwangsweise lebhaften Stoffaustausch
zwischen den beiden Komponenten zur Folge hat.

4. Strömungsmischvorgänge - 32 -
4.3.2 Vergleich von Ein- und Zweiphasenströmung
Gegenüber der Einphasenströmung neigen Zweiphasenströmungen viel mehr zu
Instabilitäten. Auftretende Erscheinungen können Schwankungen im Massenstrom oder
periodische Änderungen der Strömungsform sein.
Weiterhin sind die laminare und die turbulente Strömungen Strömungszustände, die in
Einphasenströmungen auftreten können. In Zweiphasenströmungen sind diese ebenfalls
vorhanden. Jedoch gibt es eine Vielzahl weiterer Zustände wie Blasenströmungen,
Schwallströmungen, geschichtete Strömungen und so weiter. Strömungszustände der
Zweiphasenströmung sind abhängig von der Art der Fluid- Fluid- Kombination, der
Strömungsanteile und deren Richtungen. Somit sind die Strömungszustände primär durch
die Geometrie der Schnittstelle geprägt.
4.4 Drallphänomene und Wirbelformen
Drallströmungen, auch Drehströmungen genannt, treten in vielfachen technischen
Anwendungen wie Zerstäuberdüsen, Brennern, Tragflügelspitzen, Zyklonabscheidern und
Strömungsmaschinen auf. Im Vergleich zu entsprechenden drallfreien Strömungen bringen
diese erwünschte und unerwünschte Effekte mit sich. Neben der Turbulenz und der aufgrund
des Dralls stark gekrümmten Stromlinien ist das wichtigste Kennzeichen in technischen
Drehströmungen das Auftreten einer axialen Strömungsumkehr. Die dazu erforderliche
Drallstärke wird als kritische Drallstärke bezeichnet. Diese wird im englischen auch „vortex
breakdown“ genannt.
Drallströmungen sind in den technischen Anwendungen verbreitet:
• Brennkammern von Flugtriebwerken
• Wärmetauschern
• Verbrennungsanlagen (Drallbrenner)
• Verbrennungsmotoren (einlassinduzierte Drallströmung im Dieselmotor)
• Turbomaschinen und Transportsystemen (Pipelines)
Auftretende Dreh- und Drallströmungen finden beim Mischprozess unterschiedlicher
Gasströme ihre Anwendung. Eine Beschleunigung des Mischungsvorganges wird erzielt,
indem durch eine Überlagerung der zusätzlichen Umfangsgeschwindigkeitskomponente der
mittlere Geschwindigkeitsgradient und die damit verbundene Turbulenzproduktion erhöht
wird. Eine Steigerung der Mischungsintensität kann bei einem größeren Drall durch die
Ausbildung einer inneren Rezirkulationszone erreicht werden, wodurch sich wiederum die
Geschwindigkeitsgradienten und die damit verbundene Turbulenzproduktion erhöht.

4. Strömungsmischvorgänge - 33 -
Aufgrund der Vielfalt der auftretenden Strömungs- und Turbulenzphänomene erfahren
rotierende und drallbehaftete Strömungen ein besonderes Augenmerk.
Technisch interessierende Strömungen sind in den meisten Fällen turbulent. Dies
kennzeichnet sich durch der zur Hauptströmungsbewegung aufgeprägten unregelmäßigen
hochfrequenten, räumlichen und zeitlichen Schwankungen der Strömung. Eine turbulente
Strömung tritt auf als:
• Ablösung bzw. Separation
• Rezirkulationszone
• Scherströmung
• Rotierende bzw. verdrallte Strömung
Verdrallte Strömungen bringen eine Vielzahl von Effekten mit sich, von denen die wichtigsten
nachfolgend beschrieben werden.
Je nach der Entstehung einer Drallströmung können sich die auftretenden Wirbelformen
erheblich von einander unterscheiden. Zur analytischen Beschreibung der radialen
Verteilung der Richtungsgeschwindigkeit realer Drallströmungen werden idealisierte
Wirbelformen herangezogen. Dazu zählen:
� Potentialwirbel
� Festkörperwirbel
� Rankine-Wirbel
a. Potentialwirbel
Potentialströmungen sind nur möglich, wenn ausschließlich konservative Kräfte auftreten,
wie dies bei idealen Fluiden der Fall ist. Somit stellt der Potentialwirbel eine reibungsfreie
Strömung dar. Dieser kommt durch die radiale Bewegung von Fluidelementen mit einem
anfänglichen Umfangsimpuls durch die Impulserhaltung zustande und besitzt eine
hyperbolische Umfangsgeschwindigkeitsverteilung. Weiterhin weist der Potentialwirbel eine
über den Radius konstante Zirkulation auf.
Γ =
∫
c
Γ
W = Gl. 4-25
2π
r
r r
udl = 2πW
( r)
r = Γ0
Gl. 4-26
Die Wirbelstärke ω r zeigt, dass für eine ebene rotationssymmetrische Strömung dieser Wirbel
mit einer konstanten Zirkulation drehungsfrei ist.
r
ω =
r r 1 ⎡∂(
Wr)
⎤ 1 ⎡∂(
Γ)
⎤
U = 2 ϕ&
; ω = ⎢ ⎥ = = 0
r ⎣ ∂r
⎦ 2π
⎢
⎣ ∂r
⎥
⎦
rot z
Gl. 4-27
Trotz der Drehungsfreiheit erzeugen Potentialwirbel in Newton´schen Fluiden viskose
Schubspannungen gemäß:

4. Strömungsmischvorgänge - 34 -
τ ϕr
⎛ ∂W
W ⎞ µ Γ0
= ⎜ − ⎟ = − 2
Gl. 4-28
⎝ ∂r
r ⎠ πr
Somit kann ein isolierter Potentialwirbel in einem viskosen Medium ohne Energiezufuhr nicht
aufrechterhalten werden. Wird somit der Wirbel sich selbst überlassen, verlangsamt sich die
Drehbewegung mit zunehmender Zeit. Anders formuliert bedeutet dies: Bei einer
Annäherung an das Wirbelzentrum steigt die Schubspannung solange an, bis sie im
Drehzentrum unendliche Werte erreicht. Somit formt sich der Potentialwirbel in der Realität
aufgrund der vorhandenen Reibung im Wirbelkern bzw. in Achsnähe in einen
Festkörperwirbel um.
b. Festkörperwirbel
Der Festkörperwirbel stellt die einfachste Wirbelform dar. Er ist durch eine lineare
Abhängigkeit zwischen dem Radius und der Umfangsgeschwindigkeit charakterisiert, und
besitzt eine vom Radius quadratisch abhängige Zirkulation sowie eine konstante
Wirbelstärke.
2
W = Cr;
Γ = 2πCr
; ϖ z = 2C
Gl. 4-29
Wirbel in dieser Art sind drehungsbehaftet, aber aufgrund nicht auftretender
Schubspannungen( τ = 0 ) nicht dissipativ.
c. Rankine-Wirbel
ϕr
Um eine idealisierte Beschreibung eines Wirbels zu ermöglichen, dessen
potentialwirbelähnliche Verteilung im Wirbelkern aufgrund von Reibung in einen
Starrkörperwirbel übergeht, wird der Rankine-Wirbel herangezogen.
W = W
max
⎛ r
⎜
⎝ r1
⎞
⎟
⎠
n
⎧n
= 1 für 0 ≤ r ≤ r
´ mit ⎨
⎩ n = −1
für r > r1
1
Gl. 4-30
Viele in der Natur und Technik auftretende Wirbelformen können mittels des Rankine-
Wirbels angenähert werden. Aufgrund der relativ einfachen mathematischen Beschreibung
kommt dieser häufig in analytischen Modellen zum Einsatz.
Mittels der Burgerswirbel [31] ist es möglich, eine dem Rankine-Wirbel ähnliche
Geschwindigkeitsverteilung mit einem stetigen Übergang zwischen dem Außen- und
Kernbereich zu beschreiben. Der Wirbel ist im Vergleich der vorher genannten Wirbelarten
dreidimensional.
W
C
r
2
2
−C2r
−C2
( 1− e ) ; Γ = 2 C1(
1−
e )
1 r
= π Gl. 4-31

4. Strömungsmischvorgänge - 35 -
Zusammenfassend bedeutet dies, dass die auftretende Wirbelform in einer Drallströmung
von der Art der Drallerzeugung und die darauf folgende Strömungsführung abhängig ist.
Abb. 12 Verlauf von Umfangsgeschwindigkeiten und Druck bei verschiedenen Wirbeltypen
4.5 Reynoldsgleichungen
In Wirbeln wird im Allgemeinen Energie dissipiert. Das wirbelnde Fluid erwärmt sich. Je
stärker der Wirbel des Fluids ist, desto mehr Energie wird in Wärme umgesetzt. Als Maß für
die Wirbeligkeit kann in erster Nährung die Reynolds-Zahl heran gezogen werden. Übersteigt
diese Zahl einen kritischen Wert, kommt es zur Bildung von Wirbeln.
Die mathematische Beschreibung viskoser verdrallter Strömungen erfolgt mittels der Navier-
Stokes-Gleichungen. Technische Strömungen sind im Allgemeinen turbulent. Das heißt,
dass die Geschwindigkeiten an einem Ort stochastisch und zeitabhängig sind. Damit diese
Strömungen, welche sehr komplex auftreten, mathematisch erfasst werden können, zerlegt
man die axiale u, radiale v und azimutale Komponente w der momentanen
Geschwindigkeiten in ihren zeitlichen Mittelwert(U, V, W) und in die Schwankungs-
geschwindigkeit(u’, v’, w’).
r r r
u(
t,
x)
= U ( x)
+ u'(
t,
x)
r r r
v(
t,
x)
= V ( x)
+ v'(
t,
x)
r r r
w(
t,
x)
= W ( x)
+ w'(
t,
x)
Gl. 4-32
Die Navier-Stokes-Gleichungen lassen sich durch zeitliche Mittelungen in die folgenden
Reynoldsgleichungen umwandeln. Hierbei wird von einer Axialsymmetrie sowie einer
stationären inkompressiblen Strömung ausgegangen. Für die axiale Impulsgleichung gilt:
∂U
∂U
1 ∂p
1 ⎛ 1 ∂ ∂τ
zz ⎞
U + V = − + ⎜ ( rτ
+ ⎟
zr )
∂z
∂r
ρ ∂x
ρ ⎝ r ∂r
∂ z ⎠
Gl. 4-33

4. Strömungsmischvorgänge - 36 -
Für die radiale Impulsgleichung folgt:
2
∂V
∂V
W 1 ∂p
1 ⎛ 1 ∂ τ
U + V − = − +
⎜ ( rτ
rr ) −
∂z
∂r
r ρ ∂r
ρ ⎝ r ∂r
r
Für die tangentiale Impulsgleichung gilt:
Für die Kontinuitätsgleichung gilt:
ϕϕ
∂τ
+
∂
∂W
∂W
VW 1 ⎛ 1 ∂ ∂τ
2
ϕr
⎞
U + V + =
⎜ ( r τ +
⎟
ϕr
)
2
∂z
∂r
r ρ ⎝ r ∂r
∂ z ⎠
∂U
1 ∂(
rV )
+ = 0
∂z
r ∂r
z
zr
⎞
⎟
⎠
Gl. 4-34
Gl. 4-35
Gl. 4-36
Die aus den Navier-Stokes-Gleichungen bekannten viskosen Spannungen und die
nichtlinearen konvektiven Anteile gehen in die Reynoldsspannungen τ ij mit ein. Die
nichtlinearen Anteile sind die Folge des nichtlinearen Impulsaustausches, welcher wie eine
Spannung wirkt, und übersteigen in der Regel bei einer voll ausgebildeten turbulenten
Strömung die viskosen Kräfte bei weitem.
τ
τ
τ
zz
rr
ϕϕ
∂U
2
= 2µ
− ρu'
;
∂z
∂V
2
= 2µ
− ρv'
;
∂r
V 2
= 2µ
− ρw'
;
r
τ
τ
zr
ϕr
⎛ ∂U
∂V
⎞
= µ ⎜ + ⎟ − ρu'
v'
⎝ ∂r
∂z
⎠
⎛ ∂W
W ⎞
= µ ⎜ − ⎟ − ρv'
w'
⎝ ∂r
r ⎠
∂W
τ ϕz
= µ − ρu'
w'
∂z
Gl. 4-37
Die theoretischen Überlegungen basieren auf axialsymmetrischen, reibungsfreien
inkompressiblen Strömungen. Es sind sehr häufig kleine Axialgeschwindigkeitsgradienten
und somit kleine radiale Geschwindigkeiten in Drallströmungen vorhanden. Somit ist es
zulässig, die Bewegungsgleichungen zu vereinfachen.
Die Reynoldszahl zeigt hier die Beziehung zwischen der kleinsten und der größten Zeit- und
Längeneinheit an.
4.6 Tropfenentstehung / Oberflächenspannung
a) Einfluss von Stoffdaten
Wenn an einem Flüssigkeitsband Reibungs- oder Druckkräfte angreifen, wirkt die
Oberflächenspannungskraft der einwirkenden Deformation entgegen. Somit besitzt die
Oberflächenspannung eine stabilisierende Wirkung auf Tropfen und Flüssigkeitsfragmente.
Dies gilt auch für Deformationen, die durch Strömungen innerhalb der Flüssigkeit

4. Strömungsmischvorgänge - 37 -
hervorgerufen werden. Zusammenfassend bedeutet dies: Je größer die wirkende
Oberflächenspannung ist, desto größer sind die bei der Zerstäubung entstehenden Tropfen.
Mit zunehmender Viskosität steigt die Dämpfung innerhalb der Flüssigkeit.
Flüssigkeiten mit einer höheren Dichte besitzen bei gleichem Volumenstrom eine größere
kinetische Energie. Dies führt theoretisch zur Ausbildung kleinerer Tropfen.
b) Tropfenbildung aus kompakten Flüssigkeitsstrahlen
Der Zerteilungsvorgang eines Flüssigkeitsstrahls, welcher durch eine Bohrung in eine
(ruhende) Umgebung übergeht, lässt sich in vier folgende Bereiche untergliedern.
Abtropfen:
Dies stellt den einfachste Fall der Tropfenbildung dar, und beschreibt das Abtropfen der
Flüssigkeit bei geringen Flüssigkeitsdurchsätzen von einer festen Oberfläche unter Wirkung
der Erdbeschleunigung. Dabei stellt sich zwischen der Kapillar- und der Schwerkraft ein
Gleichgewicht ein, welches den Durchmesser des abschnürenden Tropfens definiert. Infolge
der geringen Deformationsgeschwindigkeit spielt hierbei die Viskosität des verwendeten
Fluids eine untergeordnete Rolle.
Die Tropfengröße (Durchmesser DTropfen) hängt vom benetzten Kapillardurchmesser D0 ab.
Aus dem Kräftegleichgewicht folgt:
D Tropfen
Zertropfen/ Laminarer Strahlzerfall:
⎛ 6D0σ
⎞
= ⎜ ⎟
⎝ ρg
⎠
1/
3
Gl. 4-38
Der Übergang vom Abtropfen zum Zertropfen ist erreicht, wenn die Kontraktions-
geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls genau der Austrittsgeschwindigkeit entspricht. Durch
Vernachlässigung der Schwerkraft kann die kritische, mit dem Austrittsdurchmesser D0
gebildete Weber-Zahl berechnet werden:
² ⋅ Fluid ⋅ 0
=
= 4
D
w ρ
We
σ
Fluid
Gl.4-39
In der Praxis sind jedoch höhere Austrittsgeschwindigkeiten erforderlich, um an benetzten
Flächen eine Strahlausbildung zu realisieren. Somit folgt: 8 < We < 10.
Bei höheren Ausströmgeschwindigkeiten bilden sich zunächst laminare Flüssigkeitsstrahlen
mit dem Durchmesser D0 heraus. Es bilden sich axialsymmetrische Wellen an der
Oberfläche der Strahlen, welche den Zerfall der Strahlen einleiten. Dieser Zerfall tritt erst in
einiger Entfernung vom Düsenaustritt auf, und wird als Raleighscher Strahlzerfall bezeichnet.

4. Strömungsmischvorgänge - 38 -
Für niedrig viskose Fluide gilt nach [36]:
D ≈ 1,
92 ⋅
Die Grenze zwischen dem Zertropfen und dem Zerwellen ist nach [40] definiert:
Zerwellen:
DS
Gl.4-40
4
1, 74 ⋅10
We =
Gl. 4-41
1/
2
Re
Durch eine weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bilden sich schraubenförmige
Wellen heraus, deren Schwingungsamplitude in Ausbreitungsrichtung ansteigt. Dies
resultiert im Zerreißen des Strahls an den Wellenbergen, was in der Folge verschieden
große Tropfen zur Folge hat.
Die Grenze zwischen Zerwellen und Zerstäuben ist definiert als:
Zerstäuben:
5
8, 32 ⋅10
We =
Gl.4-42
0,
48
Re
Eine noch höhere Strahlgeschwindigkeit führt zu einer turbulenten Strömung. Es kommt zu
einer Strahlzerteilung, welche durch kinetische Kräfte der inneren Turbulenz hervorgerufen
wird. Da diese Trägheitskräfte die Oberflächenspannungen überwiegen, kommt es zur
Bildung kleiner Tröpfchen direkt nach dem Austritt der Düse.
Aufgrund der Ausbildung von ausreichend kleinen Tropfen finden Zerwellen und Zerstäuben
in Gasturbinen eine technische Anwendung.
Abb. 13 Formen des Strahlzerfalls

4. Strömungsmischvorgänge - 39 -
4.7 Rohrströmung
Rohrströmungen lassen sich in laminare und in turbulente Strömungen in Rohren
unterscheiden. Ein wichtiger beschreibender Faktor stellt die bereits vorher genannte
Reynolds-Zahl dar.
Laminare Rohrströmung:
Bei einer laminaren Rohrströmung bewegen sich die Teilchen auf zur Rohrachse parallelen
Stromlinien, wobei sich diese nicht untereinander vermischen. Bei kreisrunden Rohren tritt
eine laminare Strömung unterhalb der kritischen Reynolds-Zahl von 2300 auf [6] [40].
Turbulente Rohrströmung:
Bei der turbulenten Rohrströmung treten neben der in Rohrachse gerichteten
Transportbewegung auch Querbewegungen auf. Diese führen zu einer ständigen
Vermischung der Strömungsteilchen. Die turbulente Strömung tritt oberhalb der kritischen
Reynolds-Zahl von 2320 auf [6].
Ausgebildete und nicht ausgebildete Strömung
Beim Eintritt eines Fluids in einen Kanal ergibt sich unter bestimmten Bedingungen eine über
den gesamten Strömungsquerschnitt konstante Geschwindigkeitsverteilung. Mit einer
ansteigenden Lauflänge wird aufgrund von Wandreibungseffekten die in der Wandnähe
befindliche Flüssigkeit verzögert, und die in Achsennähe befindliche beschleunigt. Dabei
wird das Geschwindigkeitsprofil umgeformt und nähert sich der ausgebildeten laminaren
bzw. turbulenten Strömung. Die Strömungsgrenzschicht an der Wand wächst stetig an, und
erreicht im Grenzfall die Kanalachse. Eine ausgebildete Strömung ist erreicht, wenn das
Geschwindigkeitsprofil keinerlei Änderungen mehr erfährt.
Abb. 14 Erläuterung der Einlaufstrecke
4.8 Luft und Wasser als Strömungsmedium
Untersuchungen komplexer Strömungsphänomene auf theoretische Art und Weise erfordern
Modellversuche. Dabei kann das verwendete Strömungsmedien vom Original abweichen.
Beispielsweise werden Modelle von Wasserturbinen auch mit dem Medium Luft untersucht.

4. Strömungsmischvorgänge - 40 -
Anhand der Reynoldsschen Ähnlichkeitsgesetze können Luftströmung mit geringer Machzahl
auch anhand von Modellversuchen in Wasser durchgeführt werden. Ein primärer Vorteil liegt
in der in Wasser einfacher durchzuführenden Strömungsvisualisierung als in Luft, da hierbei
die Vorgänge langsamer ablaufen. Die relevanten Kenndaten wie Dichte und Zähigkeit von
Luft sind vom Druck sowie von der Temperatur abhängig, in Wasser jedoch nur von der
Temperatur. Aufgrund der Eigenschaft, dass Wasser unter hohem Druck sein Volumen nur
wenig ändert, kann es als inkompressibel angesehen werden. Alle Fluide weisen eine innere
Reibung auf. Diese werden, wie bereits vorher genannt als Zähigkeit oder Viskosität
bezeichnet.
4.8.1. Viskosität
Die Viskosität beschreibt die Zähigkeit von Flüssigkeiten und ist ein Maß für den inneren
Flüssigkeitswiderstand bezüglich des Fließens, und wird durch den Reibungswiderstand, den
eine Flüssigkeit einer Deformation durch Druck- oder Schubspannungen entgegensetzt,
definiert. Die kinematische Viskosität ist ein Ausdruck für die innere Reibung einer
Flüssigkeit, und somit ein Maß für den Fließwiderstand. In der Praxis lassen sich zwei Arten
der Viskosität beschreiben.
Dynamische Viskosität
Die Dynamische Viskosität η auch Zähigkeit genannt, hängt vom Stoff, von der Temperatur
und vom Druck ab und tritt im Newtonschen Reibungsansatz in der Form:
dw
F = η ⋅ A⋅
Gl. 4-43
dy
auf. Hierbei gleitet die innere Reibungskraft F zwischen zwei Flüssigkeitsschichten mit der
Berührungsfläche A, welche im Abstand y zum dem Geschwindigkeitsunterschied w ist,
entlang.
Kinematische Viskosität
Die kinematische Viskosität wird als Quotient aus der dynamischen Viskosität zur Dichte
definiert.
η
υ = Gl. 4-44
ρ
Zusammenfassend sollen hier charakteristische Werte bei einer Temperatur von 20°C und
unter Atmosphärendruck angegeben werden.

4. Strömungsmischvorgänge - 41 -
Luft Wasser Kerosin
Dynamische Viskosität [kg/ms] 1,8 10 -5
100 10 -5
2,4 10 -3
Kinematische Viskosität [m²/s] 1,5 10 -5
0,10 10 -5
3 10 -6
Dichte [kg/m³] 1,2 1000 ~800
Tabelle 5 Stoffeigenschaften
Ein zu erwähnenden Faktor stellt die Schmidt-Zahl dar. Diese ist eine dimensionslose
Kennzahl und beschreibt das Verhältnis des viskosen Impulstransports zum diffusiven
Stofftransport. Für Gase ist diese ca. 1, für Flüssigkeiten circa 1000. Aufgrund dieser hohen
Zahl in Wasser kann aus der Fluoreszenzverteilung nicht direkt auf die Verteilung von
Wirbelstärken geschlossen werden.
υ
Sc =
D
> 1000
Gl. 4-45
Stromlinien sind daher in Wasser viel länger als Linien zu erkennen. Rauchfäden in Luft
diffundieren viel früher. Wasser ist daher für Anfärbemethoden besonders geeignet.
Eine Berechnung bezüglich der entsprechenden im Versuch verwendeten Faktoren wird im
Folgenden behandelt.

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 42 -
5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates
Drallerzeuger haben die Aufgabe, einer Strömung eine Umlenkung zu geben. Diese werden
beispielsweise in verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt, um die Drallzahl der Strömung
zu erhöhen und dadurch die Mischungsintensität zu beeinflussen. Ziel ist es, eine gute
Mischung der verwendeten Stoffe zu ermöglichen. In vielen industriellen Anwendungen
werden Drallerzeuger mit Axialgitter verwendet. Der Vorteil liegt darin, dass diese einen
Kompakten und einfachen Aufbau aufweisen, solange keine Einstellbarkeit der Drallzahl
erforderlich ist. Diese Verstellung ist über eine Variation der Leitschaufeln möglich. Jedoch
ist dies technisch aufwendig und teuer. In der Literatur ist eine Vielzahl von Drallerzeugern
in den unterschiedlichsten Ausführungen zu finden. Dem Interessierten Leser sei hier auf
[37], [44], [45] und [46] verwiesen.
Drallerzeuger lassen sich in drei Grundformen unterteilen.
Tangentialeinlauf:
Axialgitter:
Radialgitter:
• Einfachster Aufbau
• keine Möglichkeit der Variation der Drallzahl.
• Unsymmetrie der Strömung
• Gerades Gitter
• Kompakter und einfacher Aufbau
• Verstellbarkeit der Drallintensität nur schwer realisierbar
• Kreisgitter
• Großer Raumbedarf
• Relativ einfache Einstellbarkeit der Drallzahl durch einen „movable
block(durch Verdrehen von einem Innen- und Außenring mit dreieckförmigen
Blöcken werden hierbei tangentiale und radiale Kanäle frei)
In dieser Arbeit wurde die Variante des Axialgitters gewählt. Als Gründe sind zum einen die
nicht benötigte Verstellung der Umlenkschaufeln, da für verschiedene Umlenkungen
unterschiedliche Drallerzeuger verwendet werden sowie der kompaktere Aufbau zu nennen.
Die Schaufeln können, wie bereits oben genannt, einzeln längs einer Gerade als so
genannte "gerade Gitter" oder in endlicher Anzahl gleichmäßig über den Umfang eines
Kreises als "kreisförmiges Gitter" verteilt sein.

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 43 -
Abb. 15 Gitter, a) gerades Gitter(Axialgitter) b) Kreisgitter(Radialgitter)
Gerade Schaufelgitter ergeben sich durch die Umfangsabwicklung eines
Kreiszylinderschnittes bei den Axialrädern und werden Axialgitter genannt. Der Abstand
entsprechender Punkte zweier benachbarter Schaufeln wird mit der Gitterteilung bezeichnet.
Bei ebenen Gittern ist die Teilung t die geradlinige Entfernung dieser aufeinander folgenden
Punkte. Die jeweiligen Verbindungslinien aller entsprechenden Schaufelpunkte stellen beim
ebenen Gitter parallele Geraden dar. Der Verlauf wird auch als Gitterrichtung definiert.
An jeder Schaufel bzw. jedem Schaufelkanal findet derselbe Vorgang statt. Somit es reicht
aus, eine Gitterteilung zu betrachten, da in den weiteren Gittern jeweils das gleiche
geschieht. Somit handelt es sich theoretisch um eine ebene Strömung. Schaufelgitter mit
idealer(ebener) Strömung werden vollkommene Gitter genannt [39].
Der Zweck der Schaufelgitter liegt darin, den Fluidstrom zu beeinflussen. Dies geschieht
durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit sowie durch eine Änderung des
Betrages der Geschwindigkeit (erhöhen bzw. verringern).
Abb.16 Strömungsfeld eines axialen Drallerzeugers

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 44 -
Wichtige Parameter, die die Größe der Rezirkulationszone beeinflussen, sind:
� Art der Schaufeln (gekrümmt oder eben)
� Schaufelwinkel
� Anzahl der Schaufeln
� Seitenverhältnis der Schaufeln
Zur Beschreibung von Drallapparaten bzw. Leitapparaten werden weitere Parameter
herangezogen. Diese werden im Folgenden behandelt.
5.1 Düsen
Bezüglich der Drallapparate in Triebwerksbrennkammern kann in verschiedene Arten
unterschieden werden. Diese sind:
• Simplex- Brennstoffdüsen
• Duplex- Brennstoffdüsen
• Fortschrittlichere Düsenkonfigurationen(pre-filmig airblast atomizer, piloted airblast
atomizer)
o Hierbei wird in der Düse zunächst ein dünner drallbehafteter Brennstofffilm
erzeugt, und dieser anschließend in einem ebenfalls mit Drall versehenen
Luftstrom zerstäubt. Dabei können die beiden Luftstrahlen gleich oder
gegensinnig drehen.
Aufgrund der einfachen Konfiguration wurde hierbei das Prinzip der Simplex-Brennstoffdüse
weiter verfolgt.
5.2 Drallstärke und Drallzahl
Abb. 17 Aufbau einer Simplex-Brennstoffdüse
Ein beschreibender Faktor zur Einschätzung des zu erwartenden Verhaltens der
Drallströmung und der dominanten Effekte stellt die Drallstärke dar. Diese wird durch
dimensionslose Kennzahlen erfasst. Bei einer geeigneten Wahl einer charakteristischen
Winkelgeschwindigkeit sowie einer massengemittelten Geschwindigkeit und einer

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 45 -
charakteristischen Länge setzt die Rossbyzahl Ro, die auch Rotationskennzahl genannt
wird, die Massenträgheitskraft und die Coriolis- Kraft ins Verhältnis.
Ro
2 2
ρU
Lchar
= 3
ρΩULchar
=
U
ΩL
char
Gl. 5-46
Hierbei bedeutet eine sehr kleine Rossbyzahl mit Ro--> 0 eine stark verdrallte Strömung. Um
die Drallintensität bzw. die Volumenfluktuation quantitativ beschreiben zu können, hat sich in
der technischen Anwendung die Drallzahl S durchgesetzt, da diese am besten die Wirkung
des Dralls auf die Grundströmung beschreibt. Sie wird durch das Verhältnis von
Drehimpulsstrom zum Produkt aus Axialimpulsstrom und einer charakteristischen Länge
gebildet. Die charakteristische Länge stellt üblicherweise in der Verbrennungsforschung den
halben Austrittsdurchmesser dar.
S =
I&
Dabei gilt für den Drehimpulsstrom
Und für den Axialimpulsstrom
∞
D&
R
ges ⋅
2
[ ( UW + u´
w´
) ] ⋅r
dr
0
Gl. 5-47
D&
= 2π ∫ ρ
Gl. 5-48
0
2 2
[ ( p − p ) + ( U + u´
) ] ⋅rdr
I =
∞
π∫
0
ref
& 2 ρ
Gl. 5-49
In den meisten für die Praxis relevanten Fällen können die turbulenten Anteile aus den
beiden vorhergehenden Gleichungen vernachlässigt werden. Somit ergibt die effektive
Drallzahl (engl. Swirlnumber):
S
eff
=
R
∞
∫
∞
2
∫ [ p − pref
) + ρU
]
0
0
0
ρUWr
( ⋅ rdr
2
dr
Gl. 5-50
Da der Axialimpulsstrom und der Drehimpulsstrom in der Hauptströmungsrichtung
Erhaltungsgrößen darstellen, ist auch die Drallzahl eine Erhaltungsgröße und somit eine
sinnvolle Art, die Drallstärke zu charakterisieren. Die experimentelle Bestimmung der
Integrale in der vorangegangenen Gleichung ist sehr aufwendig, da Feldmessungen der
Geschwindigkeitskomponente und des Drucks erforderlich sind. Somit wird häufig auf eine
vereinfachte Definition der Drallzahl zurückgegriffen, welche anstatt des
Gesamtaxialimpulsstroms einen volumetrisch gemittelten Axialimpulsstrom berücksichtigt:

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 46 -
S
0
2
D&
M&
0
= mit I&
0 =
Gl. 5-51
I&
R
ρ A
0
0
Wenn letztendlich der Drehimpulsstrom unter der Annahme rechtwinkliger
Geschwindigkeitsprofile und einer reibungsfreien Strömung aus der Geometrie des
Drallerzeugers bestimmt wird, ergibt sich die theoretische Drallzahl:
Für die theoretische Drallzahl von Axialgittern gilt nach [35]:
D&
0
0
0
S0. th =
I&
Gl. 5-52
0R0
3
⎛ ri
⎞
1−
2
⎜
⎟
⎝ ra
S
⎠
th = ⋅ ⋅ tanα
2
Gl. 5-53
3 ⎛ ri
⎞
1−
⎜
⎟
⎝ ra
⎠
Werden Leitschaufeln verwendet, gilt nach [36]:
2 2 cu
S = ⋅ tanα
= ⋅
Gl. 5-54
3 3 c
5.3 Rayleigh-Kriterium
ax
Abb. 18 Axialgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Drallstärken
Dieses Kriterium dient zur Stabilitätsbeurteilung einer Drallströmung. Das durch die
Drallströmung erzeugte Zentrifugalfeld neigt in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwin-
digkeitsverteilung dazu, turbulente Schwankungen zu induzieren oder zu dämpfen. Wird ein
Fluidelement auf einer Kreisbahn, auf das im Gleichgewichtszustand die Zentrifugalkraft
wirkt, in radialer Richtung um ∆ r ausgelenkt, ändert sich die Zentrifugalkraft entsprechend
der Umfangsimpulserhaltung. Jedoch wirkt auf das ungestörte Fluid in diesem Bereich eine

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 47 -
der Zirkulationsverteilung entsprechende Zentrifugalkraft, welche mit dem radialen
Druckgradienten im Gleichgewicht steht. Daher dämpft eine Rückstellkraft die Bewegung des
Fluidballens. Somit folgt das nach Rayleigh benannte Stabilitätskriterium für inkompressible
Wirbel:
∂
∂r
∂
∂r
∂
∂r
2 >
Stabil ( rW ( r)
) 0
2 =
Indifferent ( rW ( r)
) 0
2 <
Instabil ( rW ( r)
) 0
Gl. 5-55
Gl. 5-56
Gl. 5-57
Mit dem Radius ansteigende Umfangsgeschwindigkeiten und konstante
Umfangsgeschwindigkeiten sind nach dem Rayleigh Kriterium stabil (Potentialwirbel). Das
heißt, Rankine-Wirbel sind im Außenbereich dagegen indifferent. Zu beachten ist, dass
reibungsbehaftete Drallströmungen aufgrund der Haftbedingung immer eine instabile
wandnahe Zone aufweisen.
5.4 Reynoldszahl
Diese ist eine der wichtigsten dimensionslosen Größen und gibt das Verhältnis der
Trägheitskraft zur Zähigkeitskraft wieder. In die Reynoldszahl gehen eine Geschwindigkeit,
die Zähigkeit und eine charakteristische Länge ein. Für die auftretende Geschwindigkeit wird
eine mittlere Axialgeschwindigkeit der drallbehafteten Strömung gewählt. Das Längenmaß
stellt der Rohr- bzw. Düsendurchmesser dar.
Mit:
η
υ = Gl. 5-58
ρ
Folgt für einen Kreisquerschnitt:
ρu
d ud
Re = =
Gl. 5-59
η v
Übersteigt die Reynolds-Zahl in einer Fluidströmung in Rohrleitungen mit einem
kreisförmigen Querschnitt den Wert 2320 [6], schlägt die laminare Strömung in der Regel in
eine turbulente Strömung um. Die Grenzgeschwindigkeit zwischen einer laminaren und einer
turbulenten Strömung wird als kritische Geschwindigkeit vkrit bezeichnet. Wenn die Reynolds-
Zahl einen Wert größer 10.000 einnimmt, liegt eine turbulente Strömung vor.
5.5 Instabilitäten
Wie bereits in den vorangegangenen Kapiteln angesprochen wurde, neigen Drallströmungen
generell zu Instabilitäten. Die Ursache ist in der Corioliskraft und dem Zentrifugalfeld zu

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 48 -
finden, da diese die notwendige Rückstellkraft für periodische Bewegungen bereitstellen. Es
bestehen häufig zeitabhängige und im Allgemeinen dreidimensionale kohärente Strukturen,
welche zu beträchtlichen lokalen Geschwindigkeitsschwankungen führen können und der
turbulenten Strömung überlagert sind. Dies führt dazu, dass beispielsweise in Drallflammen
Mischungsprozesse angetrieben werden.
Ein zu beobachtendes Phänomen ist die instabile Lage des Wirbelzentrums. Der Wirbelkern
führt dabei zweidimensionale Bewegungen um das geometrische Zentrum aus. Dies hat zur
Folge, dass an einem festen Ort in diesem Bereich hohe Fluktuationen auftreten. Da kleine
Unsymmetrien eine Bewegung des Wirbelkerns hervorrufen können, treten diese in
technischen Strömungen häufig auf.
Von besonderer Bedeutung ist, dass sich Drallströmungen plötzlich im Kern aufweiten und
eine zentrale Rückströmzone bilden. Dieses Phänomen wird Wirbelaufplatzen genannt. Eine
weitere Form der Instabilität wird durch umlaufende Wirbelkerne hervorgerufen.
5.6 Wirbelaufplatzen
Um Vermischungsvorgänge zu verstehen, erfordert es die Ausbildung der
Rezirkulationszone zu kennen. Das so genannte Wirbelaufplatzen dient der
Flammenstabilisierung in schadstoffarmen Brennern. Durch den auftretenden Drall entsteht
im Einlassrohr ein radialer Druckgradient.
Das Phänomen des Wirbelaufplatzens lässt sich als ein abrupter Übergang eines Wirbels in
eine andere Struktur beschreiben. In anderen Worten bedeutet dies, dass der „Vortex
Breakdown“ eine Störung in der Drallströmung ist, die sich durch die Ausbildung eines
Staupunktes und einer daraus resultierenden Rückströmzone mit einer begrenzten axialen
Länge charakterisiert.
Das Wirbelaufplatzen kann sich in seiner Erscheinungsform erheblich unterscheiden [30].
Für verschiedene Zirkulationszahlen gibt es drei beschreibende Typen des
Wirbelaufplatzens: das spiralförmige Wirbelaufplatzen, das doppelhelixförmige
Wirbelaufplatzen und blasenförmige Wirbelaufplatzen. Da für technische Drallbrenner
grundsätzlich hohe Reynoldszahlen in der Größenordnung von 50.000 – 100.000 typisch
sind [30], konzentrieren sich die Betrachtungen auf das spiralförmige und das blasenförmige
Aufplatzen.
Blasenförmiges Wirbelaufplatzen
Hohe Drallzahlen begünstigen ein blasenförmiges Aufplatzen. Dieses wird durch die
Ausbildung eines Staupunktes auf der Achse verbunden mit einer abrupten
Wirbelkernexpansion charakterisiert. Durch einen zunehmenden turbulenten Charakter der

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 49 -
Strömung kommt es zu einer unregelmäßigen Struktur des Wirbelaufplatzens. Daraus
resultiert ein schneller Zerfall in grobballige Turbulenz.
Spiralförmiges Wirbelaufplatzen
Im Gegensatz zum blasenförmigen Wirbelaufplatzen tritt diese Form hauptsächlich bei
niedrigen Drallzahlen auf. Hierbei kommt es zu einer raschen Stagnation der Strömung auf
der Wirbelachse, wobei eine spiralige, korkenzieherartige Form entsteht. Bereits nach
wenigen Windungen zerfällt die geordnete Wirbelstruktur in ungeordnete turbulente
Bewegungen. Aufgrund der zusätzlichen Rotation der Spirale im Drehsinn der vorhandenen
Hauptströmung um die Wirbelachse entsteht eine instationäre Strömung.
Es resultieren zwei grundsätzlich verschiedene Mechanismen, die das Auftreten von
Rückströmungen bewirken:
Hydrodynamische Instabilität
Hierbei werden kleine äußere Störungen durch Querschnittsänderungen oder innere
Störungen durch Abbiegen der Stromlinien infolge des axialen Druckgradienten verstärkt und
führen zur Ausbildung von stehenden Wellen.
Diskontinuierlicher Übergang
Dieser tritt auf, wenn zwischen zwei grundsätzlich verschiedenen stabilen
Strömungszuständen ein Übergang bei einem kritischen Wert der Drallstärke vorhanden ist.
5.7 geometrische Faktoren
In diesem Abschnitt sollen kurz die konstruktiven Merkmale zur Realisierung der axialen
Drallerzeuger mit unterschiedlichen Abströmwinkeln zusammengefasst werden.
5.7.1 Leitschaufelzahl
Eine Berechnung der optimalen Schaufelzahl ist nicht möglich [38], [39]. Aufgrund der nur
durch Versuche zu ermittelnden Anzahl kann das näherungsweise Festlegen dieser nur
durch Annahmen und Erfahrungswerte erfolgen. Eine kleine Schaufelzahl bedeutet geringere
Strömungsverluste infolge einer kleinen Reibfläche sowie einen geringen
Fertigungsaufwand. Nachteilig ist hierbei die schlechte Strömungsführung. Bei einer großen
Anzahl von Schaufeln besteht eine gute Führung der Fluidströmung. Nachteilig wirken sich
hier hohe Reibungsverluste aufgrund der aus der Schaufelanzahl resultierenden höheren
Schaufelfläche und höhere Fertigungskosten aus.
Eine Methode zur Bestimmung erfolgt mittels des optimalen Teilungsverhältnisses(t)
zwischen der Nabe und der Schaufellänge(l) abhängig von der Reynolds-Zahl.

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 50 -
⎛ ⎞
⎜ ⎟
⎝ t ⎠
∆w
≈
( 0,
4bis0,
5)
⋅ w
l u
Nabe
∞
mit
ν
l ≥ ⋅ Re
w
∞
Gl. 5-60
Die Reynoldszahl wird hierbei in einem Bereich von 150.000 bis 300.000 an der Nabe
variiert.
Ein weiterer Richtwert für die Leitschaufelzahl lautet nach [37]:
z
LE
z
≈
LE
( 2...
3)
= K
sch
z
LA
⋅
D
e
bzw.
bei
engstehenden
⎛ α , ( m)
+ α 6
⋅sin
²
⎜
⎝ 2
5 , ( m)
⎞
⎟
⎠
Schaufeln
mit
K
sch
≈ 5
Gl. 5-61
Der Faktor Ksch stellt eine Erfahrungszahl dar und variiert zwischen dem Faktor vier und fünf.
Dadurch ergeben sich Schaufelgitter mit gut ausgebildeten Kanälen, die aufgrund der großen
Umlenkung zur vorteilhaften Stromführung notwendig sind.
Abb. 19 Axialrad mit engstehenden Schaufeln(a: Meridianschnitt, b: koaxialer Zylinderschnitt am
mittleren Durchmesser)
5.7.2 Leitschaufeldicke
Die Leitschaufeldicke ist abhängig von der Ausbildung sowie der Herstellung der
Leitschaufeln. Die Richtwerte lauten nach [39] für nichtprofilierte gegossene Schaufeln ��
3mm und für nichtprofilierte Bleche ������ ������������ ���aufeln(veränderliche Dicke) sind
durch das angewendete Profil zwangsläufig festgelegt.
5.7.3 Leitschaufelkontur
Zur Auslegung der Leitschaufelkontur kommen zwei verschiedene Ansätze zur Verwendung.
Die Berechnung mit wenigen Schaufeln, wobei sich diese nicht überdecken und somit keine
Kanäle bilden, erfolgt in der Regel mittels der Tragflügeltheorie. Bei der Verwendung vieler
Schaufeln wird der Ansatz der Stromfadentheorie verwendet.

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 51 -
Schaufelbeginn:
Da der Fluidstrom an den Leitschaufelspitzen seine größte Geschwindigkeit aufweist, sollte
der Schaufelbeginn sorgfältig ausgeführt und gestaltet werden. Das bedeutet, dass der
Schaufelbeginn meist verjüngt, gut abgerundet und eine hohe Oberflächengüte besitzt.
Leitschaufelform:
Zur geometrischen Ausbildung von Leitschaufeln können verschiedene Ansätze betrachtet
werden. Diese können nach [J] einen:
5.8 AFR
� geradlinigen Verlauf
� frei gestalteten, gekrümmten Verlauf
� punktweise berechneten Verlauf besitzen.
Ein weiteres wichtiges Kriterium zur Reduktion des Brennstoffverbrauchs sowie der
Schadstoffbildung, wobei auch der Drallerzeuger einen entscheidenden Beitrag liefert, stellt
das im Triebwerk vorhandene Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR) dar. Dies ist definiert als:
m&
Luft
AFR = Gl. 5-62
m&
Brennstoff
In umgekehrter Form ergibt sich somit das Brennstoff-Luft-Verhältnis als:
m&
Brennstoff
β = mit β ≈ 0,
015....
0,
028
m&
Luft
Gl. 5-63
Für eine stöchiometrische(vollständige) Verbrennung erfordert somit 1g Brennstoff die
Anwesenheit von 14,7g Luft [41].
Das AFR variiert bezüglich der Betriebszustände eines Triebwerkes. Somit liegt dieses bei
Take- Off bei rund 35, im Reiseflug bei 100 und im Sinkflug zwischen 100 und 150. Somit
liegt der Bereich des AFR zwischen 35 und 150 [42].
Abb. 20 Zündfähigkeit abhängig vom AFR

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 52 -
Abb. 21 Verlauf der Grenzen, in der eine Verbrennung möglich ist

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 53 -
6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
Der am Lehrstuhl „VFA“ aufgebaute und in Betrieb genommene Kanal stellt einen
Flachwasserkanal mit Verlustströmung dar. Das Frischwasser wird in einem IBC-Container
mit einem Fassungsvolumen von 1000l zwischengespeichert und mittels einer zweistufigen
Spiralgehäuse-Kreiselpumpe vom TYP Ebara durch ein Plexiglasrohr, bestehend aus dem
Einlauf und dem Gleichrichter, durch den Swirlcup geleitet. Unmittelbar nach der Pumpe,
welche mittels eines Frequenzumrichters gesteuert wird, wurde ein Durchflussmesser
installiert, um den Förderstrom der Pumpe zu überwachen. Über den Weg durch das
Plexiglasrohr fördert eine zweite kleine Druckdosierpumpe das Rhodamin-Wasser-Gemisch.
Dieses ist das zweite Medium, welches sich in der darauf folgenden Beobachtungsstrecke
mit dem ersten Volumenstrom vermischt. Die Beobachtungsstrecke befindet sich in einem
Plexiglasbecken der Größe von ca. 2000x 500x 700mm und einer Wandstärke von 25mm.
Aufgrund der vorhandenen Größe des Reservoirs (IBC-Container) und einem
Fassungsvolumen von ca. 700l im Plexiglasbecken ist eine hinreichend lange Messzeit
möglich. Nach der Beobachtungsstrecke strömt das vermischte Wasser in den hinteren Teil
des Beckens, an dem sich eine Tauchwasserpumpe befindet. Diese fördert das verbrauchte
Wasser aus dem Becken direkt in die Kanalisation, um einen nahezu gleichbleibenden
Wasserstand zu gewährleisten.
Abb. 22 Versuchsaufbau

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 54 -
Abb. 23 Schematischer Versuchsaufbau
Weiterhin wird der erzeugte Laserstrahl mittels einer Lichtschnittoptik, bestehend aus drei
Umlenkspiegeln sowie einer Fokuslinse mit einer Brennweite=1000mm so umgelenkt, dass
der Laserstrahl entlang der Mischzone durch die Aufweitung mittels einer Zylinderlinse einen
Lichtschnitt bildet, der mit der CCD-Kamera, welche sich seitlich an der Traverse befindet,
detektiert wird. Um einen störungsfreien Lichtschnitt zu erzielen, wurde direkt oberhalb der
Beobachtungsstrecke ein zweites Becken befestigt, in dem sich kein Wasser befindet.
Dessen Ziel ist es, den störenden Einfluss der möglichen Wellenbewegung des Wassers an
der Oberfläche auf den Lichtschnitt zu vermeiden. Die Traversierung mit der daran
befestigten Lichtschnittoptik sowie der Kamera bietet die Möglichkeit, die entstehende
Mischzone entlang deren Ausbildung an mehreren Positionen zu beobachten.
Der Laser sowie die Traverse und die Kamera werden mittels einer Software gesteuert und
aufeinander abgestimmt. Die Pumpen wurden manuell auf den betrachteten Betriebspunkt
eingestellt. Unmittelbar am Kameraobjektiv wurde ein Filter mit 545nm angebracht, um die
Wellenlänge des Laserstrahls zu filtern und nur die tatsächliche Fluoreszenz zu detektieren.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 55 -
6.1 Vorüberlegungen
Abb. 24 Laserlichtschnitt
Da in diesem Versuchsaufbau ein rechteckiges Plexiglasbecken und als Medium Wasser
zum Einsatz kommen, muss eventuell der Brechungsindex der Stoffe berücksichtigt werden
welcher in Wasser 1,33 und in Plexiglas 1,49 beträgt. Um diesen offensichtlichen Nachteil zu
vermeiden, wurde die Überlegung getroffen, das Wasser durch ein technisches Weissöl
(Shell Risella 905, Brechungsindex 1,445) zu ersetzen. Durch Vorversuche der Mischung
von diesem Öl mit Rhodamin 6G wurde festgestellt, dass der vorhandene Fluoreszenz-
farbstoff in Öl nicht ohne weiteres lösbar ist, was somit die Verwendung von Wasser
erforderlich machte. Ebenfalls wurde in Vorversuchen zur Fluoreszenz ein Behältnis,
welches mit einem Wasser-Rhodamin-Gemisch gefüllt wurde, mittels des Lasers bestrahlt.
Dabei durchdrang der Strahl die Mischung nicht komplett, was auf das Phänomen der
Konzentrationslöschung zurückzuführen ist. Nach einer Verdünnung wurde das Behältnis
komplett durchleuchtet.
Die kreisförmige Wasserzuführung durch die Beckenstirnwand, die durch eine quadratische
(300 x 300mm) um 25mm ins Messvolumen ragenden Plexiglasplatte verstärkt wird, definiert
die Grundgeometrie der Beobachtungsstrecke. Vorteilhaft ist dabei eine stets exakte
Positionierung der Beobachtungsstrecke relativ zum Becken anhand dieses Vorsprungs.
Nachteilig gestaltet sich die daraus resultierende große Geometrie (Vgl. Abschnitt 9).
Der so gewonnene Querschnitt der Beobachtungsstrecke ist recht groß, um entstehende
Wirbelstrukturen gut abbilden zu können. Dies hat den Vorteil einer guten Auflösung der sich
einstellenden Strömung. Jedoch erfordern größere Querschnitte einen erhöhten
Messaufwand bezüglich der örtlichen Abtastung. Um eine optimale Darstellung der
Mischungsvorgänge zu gewährleisten, wurde eine Rhodaminkonzentration von 0,2g auf 5L

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 56 -
verwendet. Aufgrund der auftretenden Vermischung der Rhodaminlösung mit dem
vorhandenen Frischwasser innerhalb des Beckens ist es erforderlich, dieses nach jedem
Versuch komplett zu entleeren.
Weiterhin wurde die der Kamera gegenüberliegende Beckenwand geschwärzt, um die sich
dahinter befindlichen störenden Bildinformationen auszublenden. Um eine optimale
Ausleuchtung im Versuch zu erzielen, muss das Versuchsbecken am Tage durch die
Verwendung von schwarzen Tüchern abgedunkelt werden, bzw. die Versuche in der Nacht
durchgeführt werden, um störende Lichteinflüsse zu unterbinden.
6.2 Rechnung zur Ähnlichkeitsbeziehung
Zu Beginn steht die Ermittlung der durchströmten Fläche des Drallerzeugers. Mittels dieser
repräsentativen Zahl kann in Verbindung mit dem minimalen und maximalen Volumenstrom
der vorhandenen Pumpe im Vorfeld überprüft werden, ob eine charakteristische,
triebwerksähnliche Durchströmung erreicht werden kann. Anhand einer Rechnung in Bezug
zur Reynoldsähnlichkeit lässt sich somit die im Wasser erreichte Strömungsgeschwindigkeit
in die Strömungsgeschwindigkeit von Luft umrechnen.
Re
Für D1 = D2 und Re1 = Re2 folgt:
c
⋅ D
c
⋅ D
Wasser 1
Luft 2
1 = = Re 2 =
Gl. 6-64
ν Wasser
ν Luft
c
Luft
ν Luft
= cWasser
⋅
Gl. 6-65
ν
Wasser
Im Abschnitt 6.4. sind die Abmaße der vorhandenen Drallerzeuger tabellarisch
zusammengefasst. Bei einer Schaufelzahl von 20 ergibt sich somit für die durchströmte
Fläche ein Wert von 1829,11 mm² bzw. 1,83 * 10 -3 m². Die mittlere Strömungs-
geschwindigkeit ergibt sich somit nach:
u m
V&
V&
= =
A π ⋅ r
2
Förderleistung der Pumpe in Wasser [l/min] [m³/h] [m³/s]
Min. 60 3,6 0,001
Max. 210 12,6 0,0035
Tabelle 6 Förderleistung der Pumpe des Hauptvolumenstroms
Gl. 6-66

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 57 -
Mittlere Geschwindigkeit CWasser[m/s] CLuft[m/s]
bei Qmin. 0,546 8,20
bei Qmax. 1,913 28,70
Tabelle 7 Resultierende Strömungsgeschwindigkeiten im Hauptvolumenstrom
Die resultierende Strömungsgeschwindigkeit in Wasser wird anhand der Gl. 6-66 ermittelt.
Werden wie hier Modellversuche in Wasser anstatt in Luft durchgeführt, so reduziert sich die
erforderliche Geschwindigkeit des Wassers aufgrund der unterschiedlichen Zähigkeiten um
das 15 fache.
−5
ν Luft 1,
5⋅10
m²
/ s
cLuft = cWasser
⋅ = cWasser
⋅
−5
ν
0,
10 ⋅10
m²
/ s
Wasser
Gl. 6-67
Durch den im Versuch verwendeten Frequenzumrichter ist es möglich die Durchströmung
des Swirlcups beliebig zu variieren. In Verbindung dieser Variation mit einer nicht
vorhandenen Saughöhe der Pumpe kann diese einen höheren Volumenstrom als angegeben
liefern.
In dieser Arbeit wurde ein AFR von 50 als Betrachtungsgrundlage festgelegt. Aufgrund der
ermittelten Strömungsgeschwindigkeit des Wassers durch den Drallerzeuger, welche den
entsprechenden Luftstrom darstellt, musste zur Realisierung des gewählten AFR die
Strömungsgeschwindigkeit durch die Düse ermittelt werden.
Ermittlung des Volumenstroms der Pumpe zur Förderung der Rhodaminlösung
Im ersten Schritt wird das erforderliche Verhältnis der beiden benötigten Volumenströme in
Wasser ermittelt.
m&
AFR =
m&
daraus folgt:
V&
kl.
Pumpe
=
Luft
Brennstoff
ρ
ρ
H 2O
H 2O+
RD
ρ
= 50 =
ρ
V&
⋅
gr.
Pumpe
50
H 2O
H 2O+
RD
⋅V&
⋅V&
= 1⋅
gr.
Pumpe
kl.
Pumpe
( 60
− 210l
/ min)
50
� & = 1,
2l
/ min & = 4,
2l
/ min
Vkl . Pumpe(min)
Vkl . Pumpe(max)
Aufgrund der Tatsache, dass die vorhandene Pumpe nur einen maximalen Volumenstrom
von rund 0,0416 l/min liefern kann, wurde ein Faktor von 100 in Bezug zum maximal
geforderten gewählt, um ein entsprechendes Verhältnis abbilden zu können.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 58 -
Ausgehend von einer Strömungsgeschwindigkeit von 28,7m/s in Luft folgt eine Rechnung
zum benötigten Volumenstrom des Kerosins nach Gleichung 5-62:
m&
Kero sin
m&
=
50
Luft
ρ
=
Luft
⋅ c
Luft
50
−3
� & = 1,
35⋅10
kg / s
mKero sin
⋅ A
Swirlcup
Nach der Kontinuitätsgleichung gilt:
m&
= ρ ⋅V&
Kero sin Kero sin Kero sin
Daraus folgt:
V&
Kero sin
m&
=
ρ
Kero sin
Kero sin
−3
1,
35⋅10
kg / s
=
800kg
/ m³
� &
−6
= 1,
6875⋅10
m³
/ s = 6,
075l
/ h
VKero sin
&
mKero sin
1,
29kg
/ m³
⋅ 28,
7m
/ s ⋅ 0,
00183m²
=
50
Die zur Erfüllung des AFR benötigte Fördermenge der Druckdosierpumpe bei maximalem
Betrieb der großen Pumpe wird nicht erreicht. Bei einem Durchsatz von 3500l/h durch den
Swirlcup ergibt sich jedoch für den Volumenstrom des Kerosins mit einem Wert von 1,7l/h
ein realisierbarer Betriebsparameter.
6.3 Das Versuchsbecken
Das verwendete Plexiglasbecken besitzt ein maximales Fassungsvolumen von rund 700l.
Die großen Abmaße erlauben, wie im vorangegangenen Abschnitt genannt, eine gute
Auflösung der sich ausbildenden Wirbelstrukturen. Zur Beobachtung der Mischvorgänge
wurde im Becken um den Swirlcup eine Beobachtungsstrecke aus Plexiglas installiert. Die
Länge der Mischzone wurde auf etwa das 10-fache des Swirlerdurchmesser geschätzt, was
somit die Dimensionen der Strecke festlegte. In der Beobachtungsstrecke wurde eine
zusätzliche Platte installiert, um bezüglich der Swirlcupaufnahme eine ebene Fläche zu
erhalten, und somit störende Wirbelbildungen am Beckeneintritt zu unterbinden. Weiterhin
befindet sich unmittelbar auf der Beobachtungsstrecke ein zweites Volumen, welches als
Überlaufschutz dient, um den Laserlichtschnitt beim Eintritt in die Beobachtungsebene nicht
zu beeinflussen.
Zusätzlich zum Beobachtungsvolumen wurden 2 Einschübe in dieses gefertigt, um die
verdrallte Strömung analog einer schrägen Brennkammerwand zusätzlich zu beeinflussen.
Ein Augenmerk wurde dabei darauf gelegt, dass diese nicht über den Mittelpunkt des
Düsenaustritts hinaus ragen.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 59 -
Abb. 25 Axial gestufte Brennkammer links / Schematischer Aufbau rechts
Plexiglasrohr Innendurchmesser 190mm und 1000mm Länge
Beobachtungsstrecke 300 x 300 x 750mm
Fassungsvermögen des Versuchsbeckens ~700l
Hauptvolumenstrom 60-210 l/min
Kernvolumenstrom Max. 0,041l/min
Abmaße der Einschübe(300mm tief)
6.4 Die Drallerzeuger
35°: a: 100mm b: 244mm
55°: a: 202mm b: 171mm
Tabelle 8 Parameter des Versuchsaufbaus
Im Vorfeld dieser Arbeit wurden Überlegungen über die Realisierung einer Umlenkung der
Strömung durchgeführt. Dabei gab es die Idee, eine Verstellung der Schaufeln mittels eines
mechanischen Verstellmechanismus zu realisieren.
Abb. 26 Überlegungen zur Realisierung der Drallerzeuger
Um jedoch die fertigungstechnische Schwierigkeit der Verstellung der Umlenkung zu
umgehen wurde entschieden, verschiedene Drallerzeuger mit unterschiedlichen

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 60 -
Schaufelstellungen zu realisieren. Dabei wurden die Außendimensionen beibehalten, um die
gleiche Aufnahme für alle verwendeten Swirlcup einsetzen zu können. Die drei Swirlcups
besitzen dieselbe durchströmte Fläche, um einen für die Strömungsgeschwindigkeit
repräsentativen Wert zu erzielen. Weiterhin wurden die Abmaße wie Schaufeldicke, Dicke
der Ränder und so weiter gewählt, um die Bauteilfestigkeit bezüglich des
Herstellungsverfahrens nicht zu überlasten, und um eine Fixierung in der Swirlcupaufnahme
zu realisieren. Die Swirlcups wurden mittels Rapid Prototyping hergestellt. Bei diesem
stereolithographischen Verfahren wird mittels eines UV-Lasers, der nach CAD-Koordinaten
gesteuert wird, ein flüssiges Harz (hier Somos 11120) durch die Einwirkung von Licht Schicht
für Schicht ausgehärtet.
Da die in dieser Arbeit zu entwickelnden Drallapparate die Forderung der Schaufeldeckung
besitzen (vgl. Abschnitt 5.7), wurde der Ansatz nach der Stromfadentheorie verwendet.
Weiterhin wurde der Ansatz nach einem frei gestalteten, gekrümmten Kanalverlauf gewählt.
Die Umlenkschaufeln erfahren einen geraden Einlauf und eine anschließende Umlenkung in
25°, 35° beziehungsweise in 45°. Dabei besitzen alle Schaufeln bezüglich der verschiedenen
Umlenkungen ein festgelegtes, gleiches Profil. Dadurch ist die Geometrie der Schaufel
vordefiniert, und nur die Länge der Eintrittskante variiert bei den verschiedenen Varianten.
Aufgrund der konstruktiven Schwierigkeiten ein dem Eintrittsprofil entsprechendes
Austrittsprofil zu geben, wurde die Umlenkung in der Schaufelmitte angegeben und ins
Verhältnis von Winkel zu Schaufelhöhe im eingebauten Zustand gesetzt. Dazu ist in der
folgenden Tabelle eine Übersicht der im Bezug zur Schaufelhöhe verwendeten
Skalierungsfaktoren zur Realisierung der Schaufelform angegeben. Damit wurden die Winkel
der Umlenkschaufeln an der Nabe und an der Spitze ermittelt. Es wurden Drallerzeuger mit
verschiedenen Umlenkungen realisiert, denn eine Variation der Drallwinkel resultiert in einer
Variation der Drallzahl. In der Mitte jedes Swirlcups befindet sich ein Loch, durch welches die
Rhodaminzuführung über eine Brennerdüse erfolgt.
Schaufelabmaße im Einbau Verhältnisse Berechnete Winkel
[mm] 25° 35° 45° 25° 35° 45°
h=1 32 34,04 47,66 61,27
h=0,5 23,5 0,94 0,67 0,52 25 35 45
h=0 15 15,95 22,34 28,72
Tabelle 9 Ermittlung der Abströmwinkel

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 61 -
Abb. 27 Geometrie des Drallerzeugers
Abb. 28 Fertiges Modell mittels Rapid Prototyping
Nabenradius 15mm
Höhe der Kanäle 17mm
Durchströmte Fläche 1,83 10^ -3 m²
Schaufelzahl 20
Schaufeldicke 2mm
Umlenkung/ Abströmwinkel 25°, 35°, 45°
Rundungsradius leading edge / trailing edge Jede Seite 1mm
Nabenverhältnis
Nabendurchmesser
= 0,468
Aussendurchmesser
Drallzahlen nach Gl. 5-54 25°: S=0,31 35°: S=0,46 45°: S=0,66
Tabelle 10 Abmaße der Drallerzeuger

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 62 -
6.5 Düsenkonfiguration
Die Zuführung der Rhodaminlösung erfolgt vorerst durch die Verwendung von
Ölbrennerdüsen. Hierbei wurden Düsen mit einem hohlen Sprühkegel und einem Durchsatz
von 0,65 Usgal/h, was in etwa 2,46 l/h beträgt und somit innerhalb der maximalen
Betriebsparameter der Druckdosierpumpe liegen gewählt. Die Düsen unterscheiden sich
jediglich im zu erzeugenden Sprühkegel mit 45° und 60°. Im Folgenden ist eine
Schnittdarstellung der Düsenaufnahme innerhalb des Swirlcup dargestellt.
Aufgrund der bereits innerhalb der Düsen stattfindenden, für den Versuch negativen,
Verwirbelung des Rhodamingemisches wurde die Düse komplett entkernt, sodass diese nur
noch aus dem Düsenkörper und dem Filtereinsatz besteht. Somit veränderte sich der
Gegendruck zur Pumpe und die Rhodaminmischung tritt aus der Düse in Form eines dünnen
Strahls aus. In folgenden Untersuchungen der Einbringung der Konzentration in das mit
Wasser gefüllte Becken konnte wie im Abschnitt 4.6 beschrieben, ein Raleighscher
Strahlzerfall beobachtet werden.
Abb. 29 entfernte Düsenbauteile
Abb. 30 Einbauposition der Düsenaufnahme

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 63 -
Weiterhin wurde der konstruktive und montagebedingte Übergang von der Düsenkontur zur
äußeren Verschraubung mittels Modelliermasse überbrückt, um ein Abreißen der Strömung
zu verhindern. Dabei wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen, um nach einem Wechsel des
Swirlcups dieselbe geometrische Form der Überbrückung zu realisieren.
6.6 Messsystem zur Fluoreszenzbestimmung
Die Hauptkomponenten des LIF-Messsytems stellen eine Lichtquelle, ein Lichtdetektor und
der Fluoreszenzfarbstoff dar.
6.6.1. Lasersysteme
Laser (light amplification by stimulated emission of radiation) sind leistungsstarke
Lichtquellen, die heutzutage aus der Spektroskopie nicht mehr wegzudenken sind. Das
besondere Kennzeichen ist ein kohärentes, monochromatisches Licht mit einer geringen
Strahldivergenz und einer hohen Lichtintensität.
Abb. 31 Aufbau und Funktionsweise eines Lasers
Ein Laser besteht aus einem Lasermedium, dem optischen Resonator und einer
Pumpquelle(Blitzlampe). Die Pumpvorrichtung dient dazu, die Energie in das Lasermaterial
zu bringen, und somit die Atome in einen angeregten Zustand zu befördern. Die emittierten
Photonen werden an den Endspiegeln des Resonator reflektiert, und können somit an
weiteren angeregten Molekülen die Emission eines Photons erzeugen. Es tritt eine
lawinenartige Verstärkung ein. Durch kontinuierliches Pumpen wird die Besetzungsinversion
im Lasermedium aufrecht gehalten, was dazu führt, dass die Lasertätigkeit einsetzt.
Allgemein lassen sich die Lasertypen anhand des Aggregatzustandes des Lasermaterials in
Festkörperlaser, Flüssigkeitslaser, Gaslaser und Freie-Elektronen-Laser einteilen. Eine
weitere Variante der Klassifizierung der Laserarten stellt die Art der Anregung des
Lasermaterials dar. Hierbei wird in optisch gepumpte Laser, elektronenstrahlgepumpte
Laser, Gasentladungslaser, chemische Laser, gasdynamische Laser und in nuklear

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 64 -
gepumpte Laser unterschieden. Innerhalb dieser Unterscheidungskriterien gibt es eine
Vielzahl von Laserarten. Eine detaillierte Übersicht aller Laserarten ist in [10] zu finden.
Im Folgenden sollen kurz die gängigsten Lasersysteme, mit denen LIF-Untersuchungen
durchgeführt werden, genannt und kurz erläutert werden. Festzuhalten ist, dass
Lasersysteme zur Untersuchung mittels Laser-Induzierte-Fluoreszenz im gepulsten Betrieb
mit einer Pulsdauer von 10 -8s arbeiten.
6.6.1.1 Neodym-YAG Laser
Diese Laserart gehört zu der Gruppe der Festkörperlaser, und bekommen aufgrund ihrer
robusten Bauweise und dem wartungsfreien Betrieb als Pumplaser immer mehr Bedeutung.
Das Lasermedium besteht aus einem mit Neodym dotierten Aluminiumgrantatstab(Yttrium-
Aluminium-Granat – Y3AL5O12). Aufgrund der hohen Verstärkung und geeigneter thermischer
und mechanischer Eigenschaften lässt sich dieser als kontinuierlicher und gepulster Laser
einsetzen. Somit ist es möglich, große Strömungsfeldgebiete zu untersuchen. Dieser Laser
ist somit einer der wichtigsten Lasertypen für Wissenschaft und Technik, speziell für die
Anwendung in der Messtechnik, Materialbearbeitung und Spektroskopie.
Eine Blitzlampe dient als Pumpquelle. Als eine weitere Pumpquelle können auch
Diodenlaser verwendet werden. Diese besitzen den großen Vorteil, dass die gesamte
optische Pumpleistung in einem der oberen Energiebänder erzeugt wird, die für das optische
Pumpen benutzt werden.
Abb. 32 Laserübergänge im Nd-YAG Kristall. Dargestellt ist die Anregung mit Diodenlaser (DL) bei
808 nm.
Der energiereichste Übergang beim Nd-YAG Laser emittiert im Infraroten Spektralbereich bei
einer Wellenlänge von 1064 nm. Es handelt sich hierbei um einen Vierniveau-Laser. Somit

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 65 -
ergeben sich im Vergleich zum Rubinlaser geringere Pumpenergien und höhere
Wirkungsgrade. Durch das optische Pumpen werden eine Reihe von Bändern angeregt, die
in das obere Laserniveau ( 4 F3/2) übergehen. Durch die Verwendung der vorher genannten
Laserdioden lässt sich der Übergang 4 I9/2 und 4 F5/2 direkt anregen. Aufgrund des schnellen
strahlungslosen Übergangs in das Grundniveau 4 I9/2 wird das Laserniveau 4 I11/2 entvölkert.
Somit ist die Besetzungsinversion für die Lasertätigkeit hergestellt.
Festzuhalten ist, dass sich im Resonator ein so genannter Güteschalter(Q-Switch) befindet,
mit dessen Hilfe die Resonatoreigenschaften so lange abgeschaltet werden, bis die
maximale Besetzungsinversion erreicht ist. Wird dann auf hohe Güte(hohe Verstärkung)
umgeschaltet, beginnt der Laserprozess und die gesamte optische Energie kann mit einem
kurzen Puls abgegeben werden. Dieser Schalter wird mit Hilfe eines doppelt brechenden
Kristalls realisiert. Somit ist eine Erhöhung der Spitzenleistung bei einer gegebenen
Pumpenergie möglich. Jedoch liefert die Güteschaltung nur eine starke Erhöhung der
Pulsleistung, wenn die Lebensdauer des oberen Laserniveaus größer als die Pumpdauer ist.
6.6.1.2 Excimerlaser
Die Funktionsweise eines Excimlasers besteht darin, dass mittels elektrischer
Hochspannungsentladungen aus einem Edelgas und einem Halogen
Edelgashalogenidmoleküle erzeugt werden. Diese erzeugten Moleküle, die keinen stabilen
Grundzustand besitzen, werden Excimere genannt. Das Wort ist eine Abkürzung für excited
dimer, was ein zweiatomiges Molekül(dimer) beschreibt, das nur im angeregten(excited)
Zustand kurzfristig stabil ist. Die gebräuchlichsten Systeme stellen Edelgas-Halogen-
Verbindungen wie ArF* (193 nm), KrF* (248 nm), XeCl* (308 nm) und XeF* (351 nm) dar.
Die Moleküle können im Grundzustand keine Bindung eingehen. Der Index * gibt hierbei an,
dass es sich um elektronisch angeregte Moleküle hantelt, die im Grundzustand nicht oder
nur sehr kurz existieren. Im elektronisch angeregten Zustand des Edelgasatoms befindet
sich ein ungepaartes Elektron, was eine ionische Verbindung mit einem Halogenatom
eingeht. Die Lebensdauer dieser Verbindung ist nur gering, da ein bindender Zustand nur im
angeregten Niveau möglich ist. Durch die Entladung beim Übergang in den Grundzustand
kommt es darauf an, eine hinreichende Menge an Excimermolekülen zu erzeugen, um eine
hohe Verstärkung des Laserlichts sowie eine hohe Pulsenergie zu erreichen. Die Pulsdauer
ist abhängig von der Dauer der Gasentladung und beträgt 20ns[10]. Die erzeugte Strahlung
eines Excimerlasers weist nur eine geringe zeitliche und räumliche Kohärenz auf. Der Grund
liegt in der geringen Lebensdauer der Excimere, wodurch die Besetzungsinversion nicht
lange genug andauert, um mehrere Umläufe im Resonator zu erfahren. Es lassen sich somit
Pulsenergien bis zu 250 mJ erreichen.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 66 -
6.6.1.3 Farbstofflaser
Eine weitere Laserart stellt die Gruppe der Farbstofflaser dar. Hierbei wird als optisch aktives
Medium ein Fluoreszenzfarbstoff verwendet. Farbstofflaser zeichnen sich dadurch aus, dass
im Gegensatz zu den meisten anderen Lasersystemen aufgrund der Verfügbarkeit von weit
über 100 Farbstoffen in wässrigen oder organischen Lösungen somit ihre
Emissionswellenlänge in einem relativ großen Wellenlängenbereich kontinuierlich variiert
werden kann. Die Anregung erfolgt hierbei durch Blitzlampen oder durch einen Laser. Beim
optischen Pumpen mittels einer Blitzlampe wird die Farbstofflösung relativ stark erwärmt.
Dies kann zur Schlierenbildung beitragen, wodurch die optische Qualität des Strahles
verschlechtert wird. Aufgrund dieses Defizits werden Laser zur Anregung verwendet, da
hierbei die Pumpwellenlänge optimal zur Anregung es Farbstoffs gewählt werden kann, und
somit die störenden Aufheizeffekte vermieden werden. Der Wirkungsgrad des
Farbstofflasers ist im Vergleich zu anderen Laserarten mit 10-20% eher niedrig.
Innerhalb des Resonators befindet sich hier ein disperses Gitter, mit dessen Hilfe sich eine
Wellenlänge des Spektralbereichs auswählen und verstärken lässt. Durch das Verstellen
dieses Elements wird der Farbstofflaser über dem entsprechenden Spektralbereich
durchstimmbar. Farbstofflaser lassen sich sowohl im Dauerstrich- als auch im Pulsbetrieb
einsetzen. In der Regel wird der verwendete Farbstoff mit Hilfe eines Lösungsmittels gelöst
und durch eine Küvette gepumpt oder mit Hilfe einer Düse ein Freistrahl erzeugt. In der
verwendeten Düse oder in der Küvette wird der Farbstoff optisch angeregt. Der Vorteil
hierbei liegt in der Anregung verschiedener Fluoreszenzfarbstoffe.
6.6.2. Detektionssysteme
6.6.2.1 CCD-Kamera
Dies ist die am häufigsten verwendete Detektionsvariante. CCD steht für charge-coupled
device. Dabei handelt es sich um ein Halbleiterbauelement, welches in jedem
Bildpunkt(Pixel) das einfallende Licht in analoge elektrische Signale umwandelt. Somit ist die
quantitative Detektion von Lichtintensitäten möglich. Das analoge Signal wird mittels eines
Analog-Digital-Wandlers konvertiert. Dabei lassen sich drei Vorgänge festhalten:
1. Das Sammeln der Ladung während der Belichtung
2. Der Ladungstransport
3. und die Umwandlung der Ladung in eine Spannung
Dabei erzeugt ein eintreffendes Photon ein Elektron-Loch-Paar in der Halbleiterschicht des
jeweiligen Pixels. Da bei diesem Vorgang auch thermische Energie frei wird, werden CCD-
Chips gekühlt betrieben, um das sogenannte thermische Rauschen zu unterbinden. Die
erzeugte Spannung enthält das aufgenommen Bildsignal und wird mittels des A/D-Wandlers
digitalisiert. Aufgrund der hohen Lichtempfindlichkeit und der guten Steuerbarkeit der

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 67 -
Belichtung sowie die sofortige Verfügbarkeit der Aufnahme der Messebene in Form von
Grafikdateien führten zur Verdrängung der konventionellen Kameratechnik.
6.6.2.2 ICCD-Kamera
Im Vergleich zur CCD-Kamera besitzt dieser einen Bildverstärker. Somit ist der Nachweis
von kleinsten Lichtmengen möglich. Hierbei setzt das eintreffende Licht Elektronen frei. Im
Vergleich zur CCD-Kamera treffen hier die Elektronen auf eine Verstärkungseinheit, welche
eine Vielkanalplatte(MCP, micro channel plate) darstellt. Diese besteht aus
Bleikristallröhrchen mit einer Länge von 0,5mm und einem Durchmesser von jeweils 10 µm.
Die Funktionsweise jedes Einzelkanals besteht in einer Beschleunigung der einfallenden
Elektronen durch eine Hochspannung von 0-900V. Dabei ist eine Verstärkung um den Faktor
1000 möglich. Die in der MCP erzeugte „Elektronenlawine“ wird durch eine angelegte
Potentialdifferenz nochmals beschleunigt und trifft auf einen Phosphorschirm. Das dabei
entstehende grüne Licht wird mittels einer Faseroptik auf das CCD geleitet. Nachdem der
gesamte Chip beleuchtet wurde, werden die Zeilen ausgelesen.
6.6.2.3 Fluoreszenzspektrometer
Ein Fluoreszenzspektrometer misst die Intensität des emittierten Fluoreszenzlichtes. Das
Funktionsprinzip beruht auf einer Lichtquelle, welche eine Metalldampflampe oder ein Laser
liefert. Das Licht wird mittels eines Monochromators gefiltert, um nur Licht einer bestimmten
Wellenlänge durchzulassen. Anschließend folgen optische Filter, um das Auftreten von
Streulicht zu vermeiden. Nach dem Filter folgt ein Strahlenteiler(Quarzkristall), welcher das
eintreffende Licht in zwei Einzelstrahlen aufteilt. Zusätzlich kann auch ein Polarisator zum
Einsatz kommen. Nach der Teilung der Strahlen tritt das Licht in die Probenkammer ein, wo
dieses die vorhandene Probe zur Emission anregt. Als Detektor dient ein
Sekundärelektronenvervielfacher. In diesem Detektor werden durch auftreffende Photonen
an der Photonenkathode Elektronen freigesetzt. Diese werden durch elektrische Felder
beschleunigt und treffen auf Dynoden, bei denen der Vorgang wiederholt wird. An der letzten
Dynode und Anode kann ein verstärkter Spannungsstoss abgenommen werden und wird in
ein elektronisches Signal transformiert und verstärkt. Dieses Signal kann mittels eines
Computers weiter aufbereitet werden. Je nach Bauart können somit Absorption, Reflexion
oder Transmission bestimmt werden.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 68 -
6.7 Verwendetes Mess- & Steuerungssystem
Laser
Das in dieser Arbeit eingesetzte PIV/PLIF - Messsystem stammt von der Firma TSI. Als
Lichtquelle kommen zwei Nd:YAG - Pulslaser vom Typ Quantel Twin 150 zum Einsatz.
Hierbei dient ein Einkristall aus Yttrium - Aluminium - Granat (Y3Al5O12) als aktives Medium,
welcher mit einer Konzentration von 0,5% bis 3,5% dotiert ist. Die erforderliche Pumpenergie
zum Energieniveauwechsel liefert eine Xenon - Gasentladungslampe. Mittels des Nd:YAG -
Lasers wird im Normalzustand eine Laserstrahl im infraroten Bereich mit 1064nm emittiert.
Durch das SHG - Modul lässt sich mit Hilfe frequenzselektiver Elemente im Resonator die
zweite harmonische der Hauptwellenlänge erzeugen. Somit werden Laserpulse im
sichtbaren grünen Licht mit 532nm sowie einer Pulsdauer von 4nm mit einer Frequenz von
15Hz erzeugt. Die Pulsenergie beträgt 150mJ.
Der so entstandene Laserstrahl wird mittels einer Lichtschnittoptik, bestehend aus Zylinder-
und Konvexlinsen, aufgeweitet.
CCD-Kamera
Zur digitalen Aufzeichnung der Fluidbewegung in der betrachteten Messebene wird eine
hochauflösende CCD-Kamera der Firma TSI vom Typ Powerview Plus 2MP verwendet.
Diese besitzt eine maximale Auflösung von 1600 x 1200 Pixel bei einer Chipfläche von 11,8
x 8,9 mm und ermöglicht bis zu 32 Bilder pro Sekunde. Die Verarbeitung der digitalen
Signale erfolgt mittels einer X64 Framegrabber- Karte. Da das Fluoreszenzlicht im Vergleich
zur Anregung langwelliger ist, ist es möglich, unabhängig vom Laserlicht als einzigstes die
Fluoreszenz zu detektieren. Dabei wird auf das verwendete 28mm Kameraobjektiv ein
Reflexionsfilter mit 545nm, welcher die Bestrahlung und das Fluoreszenzsignal trennt,
installiert.
Den zeitgesteuerten Betrieb zwischen Laserpuls und Bildaufnahme macht ein Laser-Pulse
Synchronizer möglich. Zum Synchronisieren des Zusammenspiels bietet die Software ein
Timingdiagramm an.
Die Kamera wurde zur Aufnahme des maximalen Bildbereichs um 600 mm vom Lichtschnitt
entfernt positioniert. Dadurch wurde eine Bildgröße von 240 mm X 170 mm realisiert.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 69 -
Schwebekörper-Durchflussmesser
Abb. 33 Timing-Setup des Systems
Zur Erfassung des Volumenstromes der Hauptströmung wurde ein Schwebekörper-
Durchflussmesser der Firma KROHNE mit einem Messbereich von 1,6-16m³/h verwendet.
Dieser funktioniert nach dem Prinzip der Durchströmung eines Rohres, wobei ein
Schwebekörper soweit nach oben gehoben wird, bis die am Schwebekörper angreifenden
Kräfte im Gleichgewicht stehen.
Die Bestimmung des zweiten Volumenstromes, welcher der Strömung das Rhodamin zufügt,
wurde mittels der Einstellung/Anzeige der Dosierpumpe bestimmt.
Traversierung
Zum Verfahren der Kamera sowie des Laserlichtschnittes entlang der Beobachtungsstrecke
wurde eine Traverse der Firma Isel verwendet. Diese besitzt einen Verfahrweg von 1800mm.
Angesteuert wird diese über einen 4- Achsen Schrittmotorcontroller, welcher über eine
RS232-Schnittstelle mit dem PC verbunden und über die LIF - Software exakt geregelt wird.
Software
Die verwendete Software Insight 3G ermöglicht:
• die Regelung und Ansteuerung der Laser
• die Steuerung der Traverse bzw. des Schrittmotorcontrollers
• die Ansteuerung der Kamera + Framegrabber
• das Synchronisieren von Laserpuls und Kameraverschlusszeit
• die Auswertung der aufgenommenen Bilder
• Kalibrierung des Systems

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 70 -
6.8 Kalibrierung des Messsystems
Bevor das gesamte Messsystem verwendet werden kann, ist es erforderlich, dieses zu
kalibrieren. Ziel der Kalibrierung ist es, genaue Messergebnisse zu erhalten. Dabei wird
• die exakte Ausrichtung der Kamera
• die exakte Dosierung der Druckdosierpumpe
• sowie eine Konzentrationsermittlung durchgeführt.
Vor jeder Messung sollte eine neue Kalibrierung durchgeführt werden, um mögliche
Änderungen der Randbedingungen wie Temperatur und PH-Wert des Wassers zu
vermeiden. Der PH-Wert wurde in dieser Arbeit nicht weiter betrachtet und als konstant
angenommen, da es sich um Trinkwasser handelt. Eine Anweisung zur Vorgehensweise bei
der Ermittlung der PH-Wert- Abhängigkeit mittels Alkalisieren ist in [8] zu finden.
6.8.1 Kalibrierung der Temperatur/Ermittlung der
Temperaturabhängigkeit
Dies ist erforderlich, wenn eine Temperaturmessung der Strömung untersucht werden soll.
Hierbei wird eine Kalibrierkurve zwischen der Temperatur und der Fluoreszenzintensität
erstellt. Da in dieser Arbeit keine Temperaturmessungen durchgeführt werden, sei hier auf
[12] verwiesen. Hierbei wird in einem experimentellen Versuchsaufbau, bestehend aus
einem geschlossenen Hohlraum welcher an zwei Aluminiumwärmetauscher angrenzt, die
Temperaturabhängigkeit anhand des Rhodamin B ermittelt. Durch die unterschiedlichen
Temperaturen der Heizelemente wird eine Strömung erzeugt. Eine andere Methode zur
Bestimmung der Temperaturabhängigkeit ist in [16] zu finden. Hierbei wird mittels einer
Glasküvette, welche mit variabel temperiertem Wasser durchflossen wird, die
Temperaturabhängigkeit ermittelt.
6.8.2 Bestimmung der Fluoreszenzintensität und Ansetzen der Mischung
von Rhodamin 6G in Wasser
Generell sollten die Sicherheitsvorschriften, die bereits in Abschnitt 2.4.1 beschrieben
worden sind, eingehalten werden. Die in der Literatur genannte Empfehlung, 0,1g Rhodamin
6G in 2-3 Liter Wasser zu lösen, wurde in dem verwendeten Becken zur Ermittlung der
Konzentration nicht verwendet, da die Konzentration zu stark war, was sich in einer
Konzentrationslöschung widerspiegelte, da das Laserlicht das Beobachtungsvolumen nicht
durchdringen konnte.
Um die aufgenommenen Bilder zur Untersuchung der Vermischung im Kanal auswerten zu
können, muss ein Kalibrierbild bei einer einheitlichen bekannten Konzentration sowie bei der
Laser- und Kameraeinstellung, wie sie im Versuch verwendet wird, aufgenommen werden.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 71 -
Bei der Ermittlung der Fluoreszenzintensität geht es um die Messung des Absorptionsfaktors
abhängig von der Konzentration. Der Absorptionsfaktor ist bezogen auf eine lineare
Definition der Fluoreszenz und repräsentiert physikalisch gesehen ein Level der
Energieabsorption. Für die Kalibrierung wurde das Messbecken mit 600 Liter Wasser befüllt
und definierte Konzentrationen angemischt.
Aufgrund der Erkenntnisse der Konzentrationslöschung aus Vorversuchen sowie dem
beobachteten Auftreten nichtlinearer Sättigungseffekte bei zu hoher Konzentration wurde für
die Kalibrierung eine Konzentration von 50µg/l nicht überschritten.
Nach der Zumischung des Rhodamins zur Einstellung der gewünschten Konzentration wurde
das gesamte Becken gut durchgerührt, und mittels einer CCD-Kamera 100 Aufnahmen
getätigt. Diese Bilder wurden im Anschluss bezüglich der Intensität gemittelt, um eine
mögliche Schwankung der Laserintensität zu unterbinden. Für jeden Bildpunkt der Kamera
wird die bekannte Konzentration der registrierten Lichtintensität zugeordnet. Dabei wurde
eine Kalibriergerade mit einem linearen Zusammenhang zwischen der Konzentration und der
Intensität (Grauwerten) ermittelt.
Abb. 34 Kalibriergerade
Die Tatsache, dass die ermittelten Punkte von der tatsächlichen Gerade abweichen, lässt
sich dadurch erklären, dass es aufgrund der Menge des zu durchmischenden Mediums
schwierig ist, eine homogene Vermischung zu erzielen. Zum anderen beeinflussen geringe
Verunreinigungen an der Wasseroberfläche den durchdringenden Lichtschnitt und somit die

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 72 -
optimale Ausleuchtung des Beobachtungsraumes. Die verwendete Kamera erzeugt Bilder im
12bit – Format. Das bedeutet, dass die maximale verarbeitbare Information ein Grauwert von
4095 ist. Anhand der Kalibriergeraden ist zu erkennen, dass dieser Punkt nicht erreicht
wurde. Jedoch lässt sich anhand der Gerade eine entsprechende Konzentration bei dieser
Lichtintensität extrapolieren.
0,01 mg/l 0,025 mg/l 0,037 mg/l 0,05 mg/l
Abb. 35 Grauwerte und entsprechende Pseudofarben der Kalibrierbilder
Die in Abbildung 35 dargestellten Bilder der verschiedenen Konzentrationen bestätigen, dass
bei einer Konzentration von 0,05mg/l eine komplette Durchleuchtung vorhanden ist. Ein
geringer Bereich weist bereits eine Überbelichtung auf. Würde die Konzentration weiter
gesteigert werden, resultiert dies darin, dass der Laserlichtschnitt die nächst höhere
Konzentration nicht mehr komplett durchleuchten kann. Anzumerken ist hierbei auch, dass
der Laserlichtschnitt nicht perfekt ist. Dieser weist bei allen aufgenommenen Bildern eine im
rechten Teil vorhandene stärkere Ausleuchtung des Bildbereiches auf.
6.9 Versuchsdurchführung
Vor den eigentlichen Messungen wurde die optimale Rhodaminzufuhr anhand des Swirlcups
mit einer Umlenkung von 35° über die Düse ermittelt. Dabei wurde festgestellt, dass bei einer
Rhodaminzufuhr von 1,7l/h die besten Messergebnisse erzielt werden. Bei einer höheren
Zufuhr verschlechterte sich das Strömungsbild, was auf den erhöhten Impulseintrag des
Farbstoffs zurückzuführen ist. Da die Pumpe zur Förderung des Frischwasser ab einem
Durchfluss von 15 – 16 m³/h zur Blasenbildung in der Strömung neigt, wurde der maximale
Volumenstrom auf 14 m³/h begrenzt und als Vmax angenommen.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 73 -
Swirlcup35° qm=1,7l/h
Swirlcup35° qm=2,5l/h
25%[3,5m³/h] 50%[7m³/h] 100%[14m³/h]
25%[3,5m³/h] 50%[7m³/h] 100%[14m³/h]
Abb. 36 Ermittlung der Eindüsungsmenge
Aufgrund der in der Kalibrierung erhaltenen Ergebnisse, dass eine komplette Durchleuchtung
oberhalb einer Konzentration von 50µg/l abnimmt, wurden die ersten Versuche mit einer
Konzentration von 50µg/l durchgeführt. Die Durchströmung des Swirlers mit Frischwasser
führt durch Mischvorgänge zu einer starke Verdünnung der ursprünglichen Konzentration.
Aufgrund dessen stellte sich das Problem, dass die Konzentration zwar noch detektierbar ist,
jedoch zu gering wurde, sodass diese innerhalb des Kamerarauschens bzw. an der Grenze
der Kameraauflösung lag. Deshalb wurde zur Erzielung einer optimalen Ausleuchtung und
Abbildung der Vermischung für alle folgenden Versuche eine Konzentration von 40mg/l
verwendet. Hierbei wird die in der Mischzone auftretende maximale kalibrierte Konzentration
nicht überschritten. Bei allen Messungen blieben relevante Systemeinstellungen wie
Laserleistung, Timing zwischen Kamera und Laser und die Blendeneinstellung identisch.
Nach jeder Messung wurde das Becken komplett entleert und wieder mit Frischwasser
befüllt.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 74 -
Versuchsparameter
Drallzahl S1=0,31[25°] S2=0,46[35°] S3=0,66[45°]
Hauptstromparameter
qm_Tracer
C_Tracer 40mg/l
Laser Max @ 10Hz
Nikkor F28 @ Blende 2,8
Düse 60°[leer]
Anzahl der Bilder 100, im Anschluss gemittelt
Abbildungsposition 1 240x170mm bis x/dSwirler =3
V _ & Wasser [l/h] V _
r Wasser[m/s] V _
r Luft[m/s]
3500
V1= 0,53
7,97
7000
V2= 1,06
15,94
10500
V3= 1,59
23,91
14000
qm_1 = 1,7 l/h
qm_2 = 1,2375 l/h
qm_3 = 0,85 l/h
qm_4 = 0,425 l/h
V4= 2,13
31,89
Abbildungsposition 2 240x170mm von x/ dSwirler =4 bis x/ dSwirler =6
Einschubposition
[Entfernung Oberkante bis
Swirleraustrittsfläche]
Wartezeit Versuchsstart bis
Messung
E1 = 35° 280mm
E2 = 35° 200mm
E3 = 55° 170mm
E4 = 55° 180mm
10 Sekunden
Tabelle 11 Fixwerttabelle
Messreihe Parameter
1
2
3
4
Drallzahl
Strömungsgeschwindigkeit
qm_Tracer
Abbildungsposition
Drallzahl
Strömungsgeschwindigkeit
qm_Tracer
Abbildungsposition
Drallzahl
Strömungsgeschwindigkeit
qm_Tracer
Abbildungsposition
Drallzahl
Strömungsgeschwindigkeit
qm_Tracer
Einschubposition
Abbildungsposition
S1 / S2 / S3
V1 / V2 / V3 / V4
qm_1
1
S1 / S2 / S3
V2
qm_1
1 / 2
Tabelle 12 Versuchsprogramm
S1 / S2 / S3
V1 / V2 / V3 / V4
qm_4 / qm_3 / qm_2 / qm_1
1
S2
V2
qm_1
E1 / E2 / E3 / E4
1 / 2

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 75 -
Messreihe 1
Die drei Swirler wurden bezüglich der triebwerksähnlichen Betriebspunkte betrachtet, und
untereinander bei verschiedenen Durchströmungen untersucht und miteinander verglichen.
Dabei wurden die Einschübe nicht verwendet. Weiterhin blieb die Rhodaminzuführung mit
1,7 l/h konstant. Zur Untersuchung der Vermischung wurde die Traverse in dieser
Versuchsreihe nicht verfahren. Der maximale Betriebspunkt von 14.000 l/h stellt mit einer
repräsentativen Strömungsgeschwindigkeit von circa 32m/s in Luft einen akzeptablen Wert
dar. Ausgehend von diesem Wert wurden somit in der ersten Messreihe alle drei Swirler
untersucht. Bei jedem Betriebspunkt wurden 100 Bilder aufgenommen und für die weitere
Verarbeitung abgespeichert.
Messreihe 2
In der zweiten Messreihe wurde die Traverse an eine zusätzliche Position verfahren, um eine
Aussage über die Konzentrationsverteilung bei einer konstanten Strömungsgeschwindigkeit
von rund 16m/s in Luft entlang der Vermischungsrichtung zu erlangen. Dabei blieben alle
weiteren Parameter in Bezug zur ersten Messreihe unverändert.
Messreihe 3
In dieser Messreihe werden Versuche bezüglich der Variation der Eindüsung vorgenommen,
was einem konstanten AFR entspricht. Dies geschah analog zur ersten Messreihe an einer
festen Traversenposition. Hierbei wurde ausgehend von der maximalen Strömungs-
geschwindigkeit mit einer Rhodaminzuführung von 1,7l/h die Eindüsung bezüglich einer
abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit entsprechend verringert.
Messreihe 4
Abschließend wurde der Einfluss der zwei Stufen untersucht. Auch hier wurde, wie in der
zweiten Messreihe, beim verwendeten Swirler von 35° von einer Strömungsgeschwindigkeit
von 16m/s in Luft ausgegangen. Es wurden die Einsätze von 35° und 55° an verschiedenen
Stellen platziert. Die Strömungsgeschwindigkeit wurde so gewählt, da in diesem
Betriebspunkt eine gute Abbildung der Strömung vorhanden ist.
6.10 Bildbearbeitung und Auswertung
Wie bereits im vorangegangenen Abschnitt genannt, wurden die nach jedem Versuch
aufgenommen Bilder bezüglich ihrer Intensität gemittelt. Nachdem die gemittelten Bilder
erzeugt wurden, werden diese mit Hilfe des Kalibrierbildes weiter verarbeitet, um auf eine im
Versuch vorherrschende Konzentrationsverteilung schließen zu können. Hierbei wurde ein

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 76 -
AOI (Area of interest) verwendet, um nur die relevanten Bildbereiche auszuwerten und somit
die Verarbeitungszeit zu minimieren.
Abb. 37 Area of Interest
Zur Verarbeitung des Kalibrierbildes auf die im Rohformat vorliegenden Bildinformationen
wird empfohlen, ein Hintergrundbild zu verwenden, um eventuell störende Einflussgrößen
auf das Kamerabild zu vermeiden. Da aber zum einen die Versuche in einer dunklen
Umgebung und unter Verwendung eines abgedunkelten Bereiches an der
gegenüberliegenden Seite des Kamerabildes erfolgten, wurde dieses nicht verwendet.
Nachdem die Bilder ausgewertet wurden, wurden diese in ein Format umgewandelt, welches
sich im Nachhinein weiterverarbeiten lässt.
Um eine Aussage bezüglich einer turbulenten Strömung zur Charakterisierung der
Turbulenzeffekte und der turbulenten Mischung durchführen zu können, sind bereits einzelne
Aufnahmen zureichend. Um eine Aussage über einen über die Zeit beobachteten Vorgang
treffen zu können, sind mehrere Aufnahmen (und deren Mittelung) notwendig. Der
Hauptgrund liegt darin, dass ein turbulentes Strömungsfeld „chaotisch“ ist. Somit resultiert
jede kleine Störung in einer Veränderung des Strömungszustandes.
Bei der Verwendung der Kalibrierung wurde als maximaler Wert 0,08mg/l angegeben, um
eine Extrapolation der Kalibrierfunktion auf die maximale Kameraauflösung durchzuführen,
was eine Auswertung der verwendeten Konzentration ermöglicht. Im Folgenden wurden die
gesamten Bilder mittels Pseudofarben dargestellt, um die originalen Schwarz- Weiß
[Grauwerte] Bilder besser darzustellen. Weiterhin wurden innerhalb der aufgenommenen
Bilder drei charakteristische Abstände bzgl. des Swirlerdurchmesser(d) betrachtet. Diese
sind in der folgen Abbildung dargestellt.

6. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung - 77 -
Abb.38 Wahl der Ebenen

7. Resultate - 78 -
7. Resultate
Messreihe 1
S1
S2
S3
V1 V2 V3 V4
Abb.39 Strömungsprofile der drei Swirler
Anhand der in Abbildung 39 dargestellten Bilder ist erkennbar, dass sich mit einer
zunehmenden Strömungsgeschwindigkeit der sich ausbildende Kegel verringert. Ein
auffallendes Strömungsprofil bildet sich bei der Verwendung der Swirlcups mit einer
Umlenkung von 35° heraus. Hier öffnet sich der sich ausbildende Kegel, was auf eine
Rückströmung innerhalb dieses rückzuschließen ist. Das bestätigt sich auch anhand der
Betrachtung der zur Mittelung verwendeten Aufnahmen. Bei einer Drallzahl S2=0,46 ist im
rechten Teil jedes Bildes ein heller Streifen zu erkennen. Dieser ist durch einen Einfluss der
Traversenfahrt auf die Lichtschnittoptik zu erklären. Aufgrund der Bewegung der Traverse
verändert sich trotz einer exakten Ausrichtung des Lasersystems mit der entsprechenden
Lichtschnittoptik die Strahlführung minimal. Jedoch hat dieser Streifen auf die spätere
Auswertung der Bilder keinen Einfluss. Wie bereits vorher bezüglich der turbulenten
Strömung erwähnt, hat auch der Zeitpunkt der Bildaufnahme einen Einfluss auf die
erhaltenen Messergebnisse. Somit wurde beispielsweise bei der Verwendung Einer Drallzahl
von S1=0,31 bei V1 folgendes Bild erhalten.

7. Resultate - 79 -
Abb.40 Wirbelform bei gleichen Systemeinstellungen wie in Abb. 39 (S1 V1)
Anhand der Diagramme des jeweiligen Swirlcups (vgl. Anhang A3) ist zu erkennen, dass
sich bei allen Swirlern die Konzentrationsverteilung bei Geschwindigkeit V1 über das
gesamte Bild abweichend im Vergleich zu den drei weiteren Geschwindigkeiten verhält. Das
lässt sich dadurch begründen, dass bei dieser Geschwindigkeit eine geringe Dralleinwirkung
und ein damit verbundener geringerer Impuls erzeugt werden. Interessant ist, dass die bei
dieser Geschwindigkeit resultierende Konzentrationsverteilung bei der Verwendung von S1
und S2 stets größer ist, als bei allen anderen Geschwindigkeiten. Bei der Verwendung von
S3 stellt sich die Konzentrationsverteilung anders dar. Bei x/d=1 liegt diese ebenfalls
oberhalb der restlichen Geschwindigkeiten, ändert sich jedoch mit steigendem x/d. Mit
zunehmendem Abstand zur Düse fällt die Konzentrationsverteilung unterhalb der von V2 bis
V4. Die Ursache dieses Phänomens kann der Einfluss des Swirlers bzw. seine starke
Umlenkung selbst sein. Die Vermischung erfolgt bei dieser geringen
Strömungsgeschwindigkeit nur im vorderen drittel des Bildes, was bedeutete, dass sich die
Strömung über die Messzeit nicht richtig über das gesamte Bild verteilen kann. Anhand der
S2 lässt sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit von V1 eine starke Ausprägung der
Konzentrationsverteilung erkennen. Bei x/d=1 steigt diese über die Mitte an. Bei x/d=2
verändert sich die Verteilung in eine Art Welle und bei x/d=3 kippt die
Konzentrationsverteilung in eine V-Form um. Diese Verteilung lässt sich anhand der
aufgenommenen Bilder in Abb. 39 ebenfalls erkennen.
Bei allen drei Swirlcups, an derselben Abbildungsposition, ist bei einer steigenden
Strömungsgeschwindigkeit eine Abnahme der Konzentration ohne eine Veränderung des
Konzentrationsprofils zu erkennen. Bei S1 und S2 liegt die Abnahme der Konzentration bei
0,02 ‰. Jediglich im Vergleich dazu liegt diese bei S3 bei 0,01 ‰.
Betrachtet man die Konzentrationsverteilung bei S=0,46 und S= 0,66, sehen diese von der
Form her in etwa identisch aus.
Die in der Abbildung 18 im Abschnitt 5.2 dargestellten Axialgeschwindigkeiten bei
unterschiedlichen Drallstärken lassen sich anhand der Konzentrationsverteilungen nur
bedingt nachweisen. Die Ursache dafür kann in dem hier bezüglich des Swirlerdurchmessers

7. Resultate - 80 -
gewählten Abstand x/d sowie am entsprechenden Strömungszustand liegen. Bei der
Verwendung des S1 entspricht die Konzentrationsverteilung bis zu einer Entfernung von
x/d=3 den Abbildungen a und b (Vgl. Abb. 18). Bei S2 werden anhand von x/d=1 und x/d=2
Verteilungen entsprechend der Abbildung d erhalten. Abschließend verhält sich der Swirlcup
entsprechend der Abbildung e bei x/d=2 und 3.
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
VGL. S1 S2 S3 q_Tracer=1,7l/h x/d=3
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
S1
V3
Konzentration C [% x 10]
S2
V3
S3
V3
Abb.41 Vergleich der drei Swirler bei V3 und V4 an der Stelle x/d=3
S1
V4
S2
V4
S3
V4

7. Resultate - 81 -
Messreihe 2
S1 V2
S2 V2
S3 V2
Abbildungsposition 1 Abbildungsposition 2
Abb.42 Strömungsprofile der drei Swirler an zwei Positionen
Anhand der erhaltenen Bilder zeigt sich mittels einer ersten visuellen Beurteilung, dass sich
nach einem Verfahrweg von 195mm nahezu eine Konzentrationsgleichverteilung einstellt.
Weiterhin stimmen die Bilder sowie die erhaltenen Konzentrationsverteilungen mit denen aus
der ersten Messreihe beim entsprechenden Betriebspunkt überein (Vgl. Anhang A3), was
eine Wiederholbarkeit der Messungen beweist. Bei diesen Versuchen wurde die
Dosierpumpe betätigt und nach einer Einspritzdauer von 10Sec (wie in allen anderen
Messungen auch) die Messung gestartet. Zum Verfahren der Traverse wurde die
Dosierpumpe nicht abgeschaltet, sondern lief den gesamten Versuch durch. Dies macht sich
durch höhere Konzentrationen an der zweiten Position bemerkbar. Um dieses Defizit
auszuschließen, wäre es sinnvoll, direkt an der zweiten Traversenposition eine zweite
Kamera zu installieren, um das Verfahren der Traverse und dem damit verbundenen

7. Resultate - 82 -
Zeitaufwand zu eliminieren. Weiterhin scheint es bei einer Drallzahl von S=0,66 an der
zweiten Position eine schlechtere Verteilung der Konzentration zu geben.
Bei allen drei Swirlern tritt an der Stelle x/d=5 eine nahezu konstante Linie der
Konzentrationsverteilung auf, was auf eine komplette Vermischung schließen lässt. Wird der
nächste Bildabschnitt betrachtet, treten bei x/d=4 drei einheitliche Abweichungen auf. Da in
diesem Bildbereich andere Pixelreihen ausgewertet wurden und stets an derselben Stelle
des Bildes auftauchen, könnte es auf eine störende Ursache im Bildbereich, der mittels des
Lichtschnitts nicht exakt ausgeleuchtet wurde, beziehungsweise wo diese Störung evtl. durch
das Becken auftritt, rückzuschließen sein.
Anhand der folgenden Abbildung ist ebenfalls erkennbar, dass die Abweichung der
Konzentrationen bei der Verwendung von S2 nicht so groß ist, wie bei den beiden anderen
Swirlern. Dies bestätigt die vorher getroffene visuelle Aussage.
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S1 S2 S3 an Abbildungsposition 2 bei V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
x/d=4
S1
x/d=5
S1
Konzentration C [% x 10]
x/d=4
S2
x/d=5
S2
x/d=4
S3
x/d=5
S3
Abb.43 Vergleich der drei Swirler an der Abbildungsposition 2

S1
S2
S3
7. Resultate - 83 -
Messreihe 3
V1 qm_4 V2 qm_3 V3 qm_2 V4 qm_1
Abb.44 Strömungsprofile der drei Swirler bei konstantem AFR
In dieser Messreihe wurde der Einspritzmassenstrom so variiert, dass in jedem
Betriebspunkt das gleiche „AFR“- Verhältnis von 8200 vorhanden ist. Dabei ist bei allen drei
verwendeten Swirlcups zu sehen, dass die Variation einen erheblichen Einfluss auf die
erzielten Ergebnisse hat. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit V2 bis hin zu V4 sehen die
Strömungsprofile bei den entsprechenden Swirlcups in Richtung Düsenmitte nahezu
identisch aus bzw. diese nähern sich an. Lediglich bei der Strömungsgeschwindigkeit V1
weichen diese ab (Vgl. Anhang A5). Ein möglicher Grund ist analog zur Auswertung der
Messreihe 1 eine bei dieser Geschwindigkeit geringe Dralleinwirkung und einen daraus
resultierenden geringeren Impuls. Eine weitere Einflussgröße könnte die große Förderpumpe
zur Erzeugung des Hauptvolumenstroms sein, da bei diesem Betriebspunkt eine
schwankende Anzeige der Durchflussmenge festgestellt wurde. Auch hier ist wie in der
ersten Messreihe bei einer Umlenkung von 45° das gleiche Verhalten der
Konzentrationsverteilung innerhalb der Strömung von V1 zu beobachten.
Bei der Verwendung von Swirler S1 nähern sich die Verläufe für die Geschwindigkeiten von
V2 bis V4 bei x/d=3 an. Lediglich bei V1 ist die Konzentrationsverteilung höher. Im Vergleich
dazu liegen bei 35° alle Konzentrationsprofile in etwa in demselben Bereich. Bei 45°
wiederum ist eine stärkere Streuung zu erkennen, wobei hier die Verteilung bei x/d=1 am
besten ist (Vgl. Anhang A5 Abb. G).
Zusammenfassend bedeutet dies, dass eine Anpassung bzw. ein konstantes AFR einen
positiven Einfluss auf die Messergebnisse besitzt.

7. Resultate - 84 -
Messreihe 4 Einschübe
Swirler Position
Einschub
S2
S2
S2
S2
E1 = 35°
280mm
E2 = 35°
200mm
E3 = 55°
170mm
E4 = 55°
180mm
Abbildungsposition 1 Abbildungsposition 2
Abb.45 Einfluss der Stufen auf die Strömung
In dieser Messreihe wurden die zwei Stufen bezüglich ihrer Position und Auswirkung auf die
Strömung untersucht. Dabei wurde sowohl die Strömungsgeschwindigkeit bei allen
Messungen konstant auf V2 gehalten als auch die Tracermenge qm_1, um eine
repräsentative Einstellung zu besitzen. Anhand der in Abbildung 45 dargestellten Bilder ist
eine unterschiedliche Ausprägung der Strömung an der ersten Abbildungsposition zu
erkennen. Hier weicht E2 von den anderen Versuchen deutlich ab. Ein möglicher Grund ist
eine Reflektion des Laserlichtschnitts durch die Stufe selbst. Ebenfalls könnte es daran
liegen, dass die Messungen an zwei verschiedenen Tagen durchgeführt wurden, bzw. dass
sich die Lichtschnittoptik durch die Traversenfahrt leicht verändert hat. Bei der Verwendung

7. Resultate - 85 -
der Einschubkonfiguration E2 ist eine intensive Vermischung zu beobachten. Dies bestätigt
sich auch anhand der Konzentrationsverteilung an diesen Stellen (Vgl. Anhang A6).
An der ersten Abbildungsposition tritt bis auf Einschubkonfiguration E4 bei allen anderen
Konstellationen ein Anstieg in Richtung der Schräge durch die verwendete Stufe auf. Das
beweist, dass diese durch einen möglichen Abbremseffekt einen Einfluss auf die
Konzentrationsverteilung besitzt.
In der folgenden Abbildung wurde ausgehend von E3 eine genauere Betrachtung
durchgeführt. Dabei wurden Pixelreihen im Abstand von 10mm links und rechts bezüglich
x/d=2 betrachtet. Dabei blieb der charakteristische Konzentrationsanstieg in Richtung der
Stufe erhalten, und es wurde keine Abweichung der drei Beobachtungspositionen
festgestellt.
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S2 Abbildungsposition 1 bei E3 V2 q_Tracer=1,7l/h
10mm links und 10mm rechts von x/d=2
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14
Konzentration C [% x 10]
10mm links x/d=2 10mm rechts
Abb.46 Vergleich der Konzentrationsverteilung um x/d=2
Bis auf E2 tritt bei allen restlichen Messungen mit E1, E3 und E4 an der Position x/d=1 ein
und dieselbe Konzentration sowie deren Verteilung auf (Vgl. Anhang A6).
Betrachtet man E1 bis E4 an der zweiten Abbildungsposition, erkennt man, dass bis auf E2
alle drei Konzentrationsverteilungen an der Position x/d=4 annähernd gleich sind. Um
darüber eine quantitative Aussage treffen zu können, müsste die Kamera jedoch noch weiter
vom Beobachtungspunkt entfernt werden, um die gesamte Beobachtungsstrecke abbilden zu
können. Aufgrund der verwendeten Beobachtungsstrecke (Vgl. Abschnitt 6.1) war es nicht
möglich diese komplett zu erfassen. Um die Kamera weiter von der Beobachtungsebene
entfernt platzieren zu können, hätte der gesamte Aufbau, speziell die Traversierung sowie
die Lichtschnittoptik, umgebaut werden müssen, da bei einer Verschiebung der Kamera
Profile der Traverse im Bild stören würden.
Generell ist festzuhalten, dass die Konzentration bei der Abbildungsposition zwei mit
zunehmendem x/d abnimmt. Dies bedeutet, dass die Abbildungsposition zwei zur genaueren

7. Resultate - 86 -
Beurteilung der Messergebnisse erforderlich ist. Da an der Stelle x/d=5 kontinuierlich eine
zackenförmige Abweichung auftritt, kann dies kein Fehler in der Auswertung sein, sondern
eine im Versuch nicht festzustellende Verschmutzung an der Beckenwand. Zur Bestimmung
dieses Phänomens wurde testweise eine Pixelreihe weiter in Richtung x/d=4 gewählt, wobei
das Auftreten der Abweichung nicht mehr beobachtet wurde. Um jedoch eine
gleichbleibende Aussage über den gewählten Darstellungsbereich beizuhalten, wurde die
Position x/d=5 hier und in der zweiten Messreihe nicht verändert.
Bei der Verwendung der Einschübe musste darauf geachtet werden, dass sich diese
komplett mit Wasser füllen, da sonst der Lichtschnitt unwillkürlich reflektiert wird. Weiterhin
kam es während der Messungen dazu, dass sich die durch den Einschub eingeschlossene
Wassermenge mit Rhodamin vermischte und in einer störenden Ausleuchtung auf den
Bildern resultierte.
Auch hierbei wurde wie in der zweiten Messreihe die Pumpe zur Förderung der
Rhodaminlösung vom Beginn der ersten Messung bis zum Ende nicht betätigt und führte
somit permanent Rhodamin zu.
Vergleicht man E3 und E4, führt eine leichte Abstandsänderung des Einschubes zu keinem
großen Unterschied in der Konzentrationsverteilung.
In der folgenden Abbildung wurde ausgehend von der Einschubkonfiguration E3 ein
Vergleich an der Stelle, bei der ein sichtbarer Beginn des Einschubs innerhalb des
Kamerabildes erfolgt, mit der Messreihe 1 bei gleichen Betriebsparametern nur ohne
Verwendung des Einschubs durchgeführt. Dabei zeigt sich eine Beeinflussung der Strömung
durch die Stufe. Aus einer ursprünglich wellenförmigen Konzentrationsverteilung bei der
Messreihe 1 bildet sich an derselben Stelle durch die Verwendung der Stufe eine
parabelförmige Konzentrationsverteilung heraus.
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
VGL.MR1_S2_V2 mit MR4_E3_Unterkante Einschub q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Konzentration C [% x 10]
MR1_S2_ V2 MR4_E3_ unterkante
Einschub
Abb. 47 Vergleich von MR4_E3 mit MR1_S2_V2

8. Fehlerbetrachtung - 87 -
8. Fehlerbetrachtung
Fehler stellen störende Einflussfaktoren bei der Ermittlung der Konzentrationsverteilung dar.
Diese lassen sich jedoch durch Kenntnisse dieser minimieren beziehungsweise
ausschließen. Dazu gehören zum einen der Laser, die Kamera, die Software sowie mögliche
Anwenderfehler.
8.1 Hardware und Versuchsaufbau
Hardwarefehler stellen Grenzen der Messtechnik dar. Eine primäre Fehlerquelle ist der Laser
selbst. Hier können durch Schwankungen in der Intensität, das Auftreten von Streulicht und
Reflektion sowie eine sich aufgrund der Umlenkspiegel veränderliche Geometrie des
Laserstrahls und daraus folgende Beleuchtungsfehler auftreten. Neben der Lichtquelle kann
auch das Detektionssystem Fehler verursachen. Dazu gehören Pixelfehler, welche sich
durch defekte Bildpunkte auf dem CCD-Chip darstellen. Diese liefern keine oder nur
fehlerhafte Bildinformationen. Weiterhin kann die räumliche Auflösung sowie Rundungsfehler
das detektierte Bild verfälschen. Eine Grenze, die auch im Experiment aufgetreten ist, stellt
das Kamerarauschen dar. Dies tritt auf, wenn die zu detektierende Konzentration zu gering
ist, und durch das Rauschen der Kamera überlagert wird.
Zu nennen ist auch die verwendete Pumpe zur Realisierung der Hauptströmung. Diese
erzeugt ebenfalls einen störenden Einfluss auf die Messungen. Die Anzeige des
Schwebekörperdurchflussmessers, welcher mit der große Pumpe verbunden ist, weist bei
geringen Durchsätzen ein pulsieren auf, welches auch am Saugschlauch zu beobachten
war. Weiterhin erschwerte die Blasenbildung bei erhöhten Durchsätzen die Messungen.
Diese Blasenbildung in Verbindung mit verschmutzten Seitenwänden, welche von der
Kamera detektiert werden, stellen die Hauptprobleme bei den durchgeführten Versuchen
dar. Da die Pumpe zur Förderung der Rhodaminlösung eine Druckdosierpumpe ist, welche
mittels einer Membran arbeitet, wurde anstatt einer kontinuierlichen Eindüsung die Lösung
abhängig von der eingestellten Menge mehr oder weniger stark pulsierend zugeführt.
8.2. Messfehler
Messfehler können primär durch fehlerhafte Werte bezüglich des Timings zwischen
Laserpuls und Kameraverschlusszeit auftreten. Es kann es passieren, dass Bilder
unregelmäßig beziehungsweise gar nicht erfasst werden.
Die Verwendung des Lasers birgt ebenfalls Messfehler. Eine zusätzliche Lichtabsorption
führt zu einer ungenauen Messung der lokalen Farbstoffkonzentration. Dies kann
beispielsweise durch eine Ebene Messfläche (Plexiglasplatte, anstatt eines Rohres)

8. Fehlerbetrachtung - 88 -
unterbunden werde. Eine Variation des Laserlichts resultiert in einer Variation der Intensität.
Somit ist es ratsam, dies vor einem Experiment durch wiederholtes Messen zu überprüfen
beziehungsweise die aufgenommenen Bilder zu mitteln. Ebenfalls ist zu beachten, dass der
Laser eine gewisse Vorlaufzeit bis zur eigentlichen Messung benötigt, da sich erst nach einer
gewissen Zeit die maximale Laserleistung einstellt.
Eine nicht zu verachtende Messunsicherheit, die jedoch vermieden werden kann, sind sich
an der Beobachtungsstrecke bildende Luftblasen. Diese können mittels eines Abziehers vor
dem jeweiligen Versuch entfernt werden. Aufgrund der Tatsache, dass permanent
Frischwasser dem Versuch zugeführt wird, ist es unvermeidlich, dass es zur Bildung dieser
kommt. Ebenfalls anzumerken ist, dass nach jedem Wechsel des Swirlcups die
Düsenaufnahme neu mit Modelliermasse gefüllt wurde. Dabei wurde mit größter Sorgfalt
darauf geachtet, dass diese Form sich nicht verändert. Jedoch lassen sich geringe
Beeinflussungen der Strömung nicht ausschließen.
Die Fluoreszenz an sich birgt ebenfalls Fehler in der Bestimmung dieser. Dazu gehört
beispielsweise die Lebensdauer des angeregten Zustands der Teilchen, welche einen
Einfluss auf die Auflösung haben. Auch bei der Kalibrierung durch die Kenntnis ungenauer
Konzentrationswerte können Unsicherheiten entstehen. Diese resultieren in von der
Kalibriergeraden abweichende Punkte. Ein weiterer wichtigerer Faktor auf die aus der
Fluoreszenz ermittelte Konzentrationsverteilung ist die Variation der Fluoreszenzintensität.
Mit zunehmender Konzentration wird die Abweichung von einer direkten Proportionalität zur
Fluoreszenzintensität immer gravierender, und kann somit nicht mehr vernachlässigt werden.
Die Größe der Fluoreszenzintensität ist hauptsächlich von der Abschwächung der Intensität
der angeregten/emittierten Strahlen, von der Variation der Quanteneffizienz(Temperatur, PH-
Wert) sowie von Quenching-Effekten abhängig. Aufgrund der zur Kalibrierung erzielten
Durchleuchtung der erzeugten Konzentrationen konnte das Phänomen der
Fluoreszenzlöschung, welches anhand der Vorversuche als störende Einflussgröße bereits
ermittelt wurde, ausgeschlossen werden.
8.3. Fehler bei der Auswertung
Fehler bei der Auswertung können durch ungenaue Bildausschnitte sowie durch fehlerhafte
Kalibriergeraden erhalten werden. Dadurch werden abweichende ausgewertete Bilder
erhalten, welche keine repräsentativen Ergebnisse mehr liefern. Ebenfalls können Fehler
durch die manuelle Auswertung auftreten.

9. Schlussfolgerung und Ausblick - 89 -
9. Schlussfolgerung und Ausblick
Anhand der in dieser Arbeit erhaltenen Erkenntnisse ist man in der Lage, dass am Lehrstuhl
vorhandene LIF-Messsystem erfolgreich einzusetzen. Das System liefert in Verbindung mit
einer exakten Kalibrierung zuverlässig Messergebnisse bzw. Konzentrationsermittlungen.
In Kombination mit dem ebenfalls vorhandenen PIV-System wären somit simultane und
gleichzeitige Messungen der Geschwindigkeit und der Konzentration möglich. Somit sollte im
Weiteren das Geschwindigkeitsprofil der Strömung untersucht werden, um genaue
Kenntnisse dieser zu erhalten.
Die konstruierten und im Versuch verwendeten Drallerzeuger erfüllten die gestellte
Anforderung einer Umlenkung der Strömung. Die in Abbildung 18 dargestellten
Geschwindigkeitsprofile bei verschiedenen Drallzahlen konnten allerdings nur bedingt mit LIF
nachgewiesen werden. Dies kann zum einen in der Fertigungsweise der Swirler sowie in
einer unsauberen Geometrie der Umlenkschaufeln liegen. Weiterhin sollten im Folgenden im
Triebwerk verwendete Swirlcups mit einer gegenläufigen Strömung bzw. mit drei separaten
Swirlerbereichen in Verbindung mit einer entsprechenden maßstabsgerechten
Beobachtungsstrecke untersucht werden, um mit der atmosphärischen Brennkammer
vergleichbare Ergebnisse zu erhalten. Dies ist erforderlich, da in dieser Arbeit zum einen frei
gewählte Swirler und zum anderen eine zu große Dimensionierung der Beobachtungsstrecke
verwendet wurden. Eine notwendige Veränderung des Versuchsaufbaus sollte leicht
realisierbar sein. Diesbezüglich sollte anhand einer zweiten Kamera die zweite
Abbildungsposition simultan aufgenommen werden, um die in der zweiten und vierten
Messreihe auftretenden Konzentrationsanstiege zu vermeiden.
Eventuell könnte auch die Rhodaminkonzentration für jeden Betriebspunkt bzw. zur
besseren Ausleuchtung mittels Schläuche und Ventile direkt im Versuch verändert werden.
Bezüglich der Konzentrationsermittlung wäre der Bau eines neuen Kalibrierbeckens sinnvoll,
um die lang andauernde Vermischprozedur zur Durchführung der Kalibrierung im großen
Becken zu vermeiden.
Die bereits in der Arbeit genannte Problematik der Blasenbildung durch eine mögliche
Leckage im System oder durch gelösten Sauerstoff innerhalb des Leitungswassers bei
höheren Betriebszuständen der großen Pumpe sowie eine sichtbare Kalkablagerung am
durchflossenen Versuchsaufbau wurden im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter betrachtet.
Aufgrund der Mittelung der Bilder, um ein aussagekräftiges Bild für die entsprechende
Messung zu erzielen, wird das Phänomen der Strömungsfluktuation ausgeblendet, da die
Strömung hochfrequent ist. Dies stellt eine Grenze des Messsystems dar. Aufgrund dessen,
dass in dieser Arbeit nur eine Kamera verwendet wurde, konnten auftretende 3D-Effekte
nicht abgebildet werden.

9. Schlussfolgerung und Ausblick - 90 -
Zusammenfassend sollte für weitere Untersuchungen in dieser Richtung eine zusätzliche
Kamera zur simultanen Aufnahme der zweiten Abbildungsposition, sowie eine andere
Pumpe zur Förderung der Rhodaminlösung verwendet werden. Das ersetzen der Pumpe ist
notwendig, da diese aufgrund ihres Dosierhubes über eine Membran die Lösung nur
pulsierend zuführt. Weiterhin ist die Geometrie der Beobachtungsstrecke entsprechend
anzupassen, um in Verbindung mit in Gasturbinenbrennkammern verwendeten Swirlcups
repräsentative Ergebnisse zu erzielen.

10. Abbildungsverzeichnis - 91 -
10. Abbildungsverzeichnis
Abb.1 Homepage Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Physikalisch-Chemisches Institut:
http://www.pci.uni-heidelberg.de/pci/d_index.html?http://www.pci.uniheidelberg.de/pci/cschulz/d_lif.html
Abb.2 Jörg Brabandt: Reversibles und irreversibles Photobleichen an einzelnen Molekülen
und im Ensemble, Diplomarbeit TU Chemnitz 2006
Abb.3 Wernli R.: Einführung in die Tracerhydrologie, Skript 2003
www.giub.unibe.ch/boden/Skript_Tracerhydrologie.pdf
Abb.5 Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie, im Rahmen des FPIII-Praktikums der
Universität Bayreuth WS 2006/07
Abb.6 Valeur B.: Molecular Fluorescence, Principles and Applications, Wiley-VCH 2002
Abb.7 Wernli R.: Einführung in die Tracerhydrologie, Skript 2003
www.giub.unibe.ch/boden/Skript_Tracerhydrologie.pdf
Abb.9 J.G. Bräunling: Flugzeugtriebwerke, Springer Verlag 2004
Abb.10 J. Huhn, J. Wolf: Zweiphasenströmung, VEB Fachbuchverlag Leipzig 1975
Abb.11 J. Huhn, J. Wolf: Zweiphasenströmung, VEB Fachbuchverlag Leipzig 1975
Abb.12 Hettel M.: Analytische und Numerische Untersuchungen der Dynamik von
Vormischflammen sowie deren Interaktion mit Ringwirbelstrukturen, Dissertation
Universität Karlsruhe, 2006
Abb.13 H. Brauer: Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmungen, Verlag
Sauerländer, 1971
Abb.14 H. Brauer: Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmungen, Verlag
Sauerländer, 1971
Abb.15 H. Sigloch: Strömungsmaschinen, Hanser Verlag, 1993
Abb.16 A. Lang: Konstruktion eines Brennkammerprüfsandes und Messungen unter
mittlerem Druck, Diplomarbeit Universität Graz, 2007
Abb.17 J.G. Bräunling: Flugzeugtriebwerke, Springer Verlag 2004
Abb.18 Vorlesungsskript: Kerntriebwerkskonstruktion RR Deutschland, BTU Cottbus 2005
Abb.19 H. Sigloch: Strömungsmaschinen, Hanser Verlag, 1993
Abb.20 O. Antoshkiv: Untersuchung der Zündung in einer neuartigen gestuften
Brennkammer, Dissertation BTU Cottbus, 2007
Abb.21 J.G. Bräunling: Flugzeugtriebwerke, Springer Verlag 2004
Abb.25 Vorlesungsskript: Kerntriebwerkskonstruktion RR Deutschland, BTU Cottbus 2005

10. Abbildungsverzeichnis - 92 -
Abb.30 Meschede, D.: Optik, Licht und Laser(1999) B.G. Teubner, Stuttgart – Leipzig
Abb.31 Meschede, D.: Optik, Licht und Laser(1999) B.G. Teubner, Stuttgart – Leipzig

11. Literaturverzeichnis - 93 -
11. Literaturverzeichnis
[1] Zander M.: Fluorimetrie, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 1981
[2] Guilbault G.: Practical Fluorescence, Second Edition, Marcel Dekker, New York 1990
[3] Brochhaus M.: Laserinduzierte Fluoreszenz zur Untersuchung der Gemischbildung in
einem Ottomotor mit elektromechanischem Ventiltrieb, Berichte aus der Fahrzeugtechnik,
Shaker-Verlag 2002
[4] Valeur B.: Molecular Fluorescence, Principles and Applications, Wiley-VCH 2002
[5] Siekmann E.: Strömungslehre für den Maschinenbau, Springer Verlag 2001
[6] Bohl W.: Technische Strömungslehre, Vogel Verlag 1998
[7] Graf N.: Einsatz der Laserinduzierten Fluoreszenz organischer Moleküle zur
Visualisierung von Gemischbildungs- und Verbrennungsprozessen, Dissertation 2003,
Universität Heidelberg
[8] Wernli R.: Einführung in die Tracerhydrologie, Skript 2003
www.giub.unibe.ch/boden/Skript_Tracerhydrologie.pdf
[9] Schorr J.: Entwicklung und Anwendung von Fluoreszenztracer-Verfahren für die
lasergestützte, abbildende Spraydiagnostik, Dissertation 2003, Universität Heidelberg
[10] Eichler J. : Laser, Bauformen, Strahlführung, Anwendungen 1998, Springer Verlag
[11] Arcoumanis C., McGuirk J.: On the Use of fluorescent dyes for concentration
measurements in water flows, Exp. In Fluids (10) 177-180, 1990
[12] Coolen M., Kieft R.: Application of 2-D LIF temperature measurements in water unsing
a Nd: Yag laser, Exp. In Fluids (27) 420- 426, 1999
[13] Crimaldi J.: The effect of photobleaching and velocity fluctuations on single-point LIF
measurements, Exp. In Fluids (23) 325-330, 1997
[14] Walker, D.: A fluorescence technique for measurement of concentration in mixing
liquids, J. Phys. E: Sci. Instrum (20) 217-224, 1987
[15] Houcine I., Vivier H.: Planar laser induced fluorescence technique for measurements of
concentration fields in continuous stirred tank reactors, Exp. in Fluids (22) 95-102, 1996
[16] Skakibara J., Ardrian R.: Whole field measurement of temperature in water using two-
color laser induced fluorescence, Exp. in Fluids (26) 7-15, 1999
[17] Distelhoff M., Marquis A.: An LIF scan system for the measurement of scalar
concentration in a continuously operated stirred tank, Exp. in Fluids (25) 77-88, 1998
[18] Guillard F., Fuchs L.: A study of turbulent mixing in a turbine-agiated tank using a
fluorescence technique, Exp. in Fluids (28) 225-235, 2000
[19] Lemoine F., Wolff M.: Simultaneous concentration and velocity measurements using
combined laser-induced fluorescence and laser Doppler velocimetry: Application to turbulent
transport, Exp. in Fluids (20) 319-327, 1996

11. Literaturverzeichnis - 94 -
[20] Ferrand V., Bazile J.: Measuremnts of concentration per size class in a dense
polydispersed jet using planar laser-induced fluorescence and phase Doppler techniques,
Exp. in Fluids (31) 597-607, 2001
[21] Van Vliet E., Van Bergen S.: Time-resolved, 3D, laser-induced fluorescence
measurements of fine-structure passive scalar mixing in a turbular reactor, Exp. in Fluids (37)
1-21, 2004
[22] Sicherheitsdatenblatt Rhodamin6G Lightning Powder Company, INC.
www.redwop.com/download/rhod6g.pdf
[23] Bernero S., Fiedler H.E.: LIF-Experimente zur Untersuchung der Mischung in einem
Strahl im Gegenstrom, GALA Lasermethoden in der Strömungsmeßtechnik (7. Fachtagung),
Shaker Verlag, 20.1-20.6, 1999
[24] C.F. G. von Carmer: LDA-LIF System zur Untersuchung grossräumiger kohärenter
Strukturen in flacher turbulenter Strömung, GALA Lasermethoden in der
Strömungsmeßtechnik (8. Fachtagung), Shaker Verlag, 18.1-18.9, 2000
[25] Blümel B.: Visualisierung dreidimensionaler Daten aus Laser-Induzierter-Fluoreszenz,
GALA Lasermethoden in der Strömungsmeßtechnik (5. Fachtagung), Shaker Verlag, 55.1-
55.6, 1996
[26] Winkler A., Wäsle J.: Laserinduzierte Fluoreszenz in Echtzeit zur Bestimmung des
Flammenlärms, GALA Lasermethoden in der Strömungsmeßtechnik (12. Fachtagung),
Shaker Verlag, 18.1-18.8, 2004
[27] Koitzsch R., Odenthal H.-J.: Konzentrationsmessungen im Wassermodell eines
Stranggießverteilers mittels der PLIF-Technik, GALA Lasermethoden in der
Strömungsmeßtechnik (11. Fachtagung), Shaker Verlag, 23.1-23.8, 2003
[28] J. Huhn, J. Wolf: Zweiphasenströmung, VEB Fachbuchverlag Leipzig 1975
[29] K. Kunze: Untersuchung des thermoakustischen Flammenübertragungsverhaltens in
einer Ringbrennkammer, Dissertation TU München 2003
[30] J. Fritz: Flammenrückschlag durch Verbrennungsinduziertes Wirbealaufplatzen,
Dissertation TU München, 2003
[31] M. Hettel: Analytische und Numerische Untersuchungen der Dynamik von
Vormischflammen sowie deren Interaktion mit Ringwirbelstrukturen, Dissertation Universität
Karlsruhe, 2006
[32] T. Förster: Fluoreszenz organischer Verbindungen, Vandenhoeck & Ruprecht, 1982
[33] D. Surek: Angewandte Strömungsmechanik, Teubner Verlag Wiesbaden, 2007
[34] C. Kleinstreuer: Two-Phase Flow, Taylor & Francis, 2003
[35] G. Maier: Gemischaufbereitung bei der mageren Vormischverbrennung in Gasturbinen:
Entwicklungspotential und Grenzen, Dissertation Universität Karlsruhe, 2000
[36] H. Effenberger: Dampferzeuger, VEB Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 1987

11. Literaturverzeichnis - 95 -
[37] R. Palm: Experimentelle Untersuchung der Strömung und Vermischung in einem
Drallbrennermodell, Dissertation TU-Darmstadt, 2006
[38] F. Höhe, P. Gielen: Aufbau und Erprobung eines Wasserumlaufkanals zur
Sichtbarmachung von Strömungsinstabilitäten in Axiallaufrädern, Diplomarbeit, FH
Düsseldorf, 1998
[39] H. Sigloch: Strömungsmaschinen, Hanser Verlag, 1993
[40] H. Brauer: Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmungen, Verlag
Sauerländer, 1971
[41] J.G. Bräunling: Flugzeugtriebwerke, Springer Verlag 2004
[42] RR-Deutschland: Kerntriebwerkskonstruktion, Vorlesungsskript BTU-Cottbus WS
2004-2005
[43] M. Horvay: Experimental and Theoretical Investigation of Swirl Nozzles for Pressure-Jet
Atomization, German Chemical Engineering Edt. 5 (S 276-283), 1986
[44] C. Owczarek: Erste Untersuchungen des Strömungsfeldes einer Zykloidbrennkammer
anhand eines Kaltmodells, Dissertation BTU Cottbus, 2000
[45] H. Peters: Energieumsetzung in Querschnittserweiterungen bei verschiedenen
Zulaufbedingungen, Ingenieurarchiv II Band 1931
[46] R. Jung: Leitapparat für veränderlichen Drall mit zwei tangential ineinander
verschiebbaren starren Schaufelgittern, Forsch. Ing.-Wes. 33, 1967 Nr6

Eidesstattliche Erklärung - 96 -
Eidesstattliche Erklärung
Ich versichere, die vorliegende Diplomarbeit allein angefertigt und außer den angegebenen
keine weiteren Hilfsmittel verwendet zu haben.
Cottbus den 09.10.2008 T. Dimpker

12. Anhang - 97 -
12. Anhang
A.1 Datenblatt von Rhodamin 6G

12. Anhang - 98 -
A.2 Sicherheitsdatenblatt von Rhodamin 6G

12. Anhang - 99 -

12. Anhang - 100 -

A3 Messreihe 1 - 101 -
A3 Messreihe 1
A
B
C
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S1 q_Tracer=1,7l/h x/d=1
-1,5
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4
S1 q_Tracer=1,7l/h x/d=2
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4
S1 q_Tracer=1,7l/h x/d=3
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4

A3 Messreihe 1 - 102 -
D
E
F
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S2 q_Tracer=1,7l/h x/d=1
-1,5
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4
S2 q_Tracer=1,7l/h x/d=2
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4
S2 q_Tracer=1,7l/h x/d=3
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4

A3 Messreihe 1 - 103 -
G
H
I
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S3 q_Tracer=1,7l/h x/d=1
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4
S3 q_Tracer=1,7l/h x/d=2
-1,5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4
S3 q_Tracer=1,7l/h x/d=3
-1,5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Konzentration C [% x 10]
V1 V2 V3 V4

A4 Messreihe 2 - 104 -
A4 Messreihe 2
A
B
C
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S1 Abbildungsposition 1 und 2 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
x/d=1 x/d=2 x/d=3 x/d=4 x/d=5 x/d=6
S2 Abbildungsposition 1 und 2 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
x/d=1 x/d=2 x/d=3 x/d=4 x/d=5 x/d=6
S3 Abbildungsposition 1 und 2 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Konzentration C [% x 10]
x/d=1 x/d=2 x/d=3 x/d=5 x/d=5 x/d=6

A5 Messreihe 3 - 105 -
A5 Messreihe 3
A
B
C
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S1 q_Tracer=Variiert x/d=1
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
S1 q_Tracer=Variiert x/d=2
V4
qm_1
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
S1 q_Tracer=Variiert x/d=3
V4
qm_1
-1,5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
V4
qm_1

A5 Messreihe 3 - 106 -
D
E
F
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S2 q_Tracer=Variiert x/d=1
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
S2 q_Tracer=Variiert x/d=2
V4
qm_1
-1,5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
S2 q_Tracer=Variiert x/d=3
V4
qm_1
-1,5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
V4
qm_1

A5 Messreihe 3 - 107 -
G
H
I
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S3 q_Tracer=Variiert x/d=1
-1,5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
S3 q_Tracer=Variiert x/d=2
V4
qm_1
-1,5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
S3 q_Tracer=Variiert x/d=3
V4
qm_1
-1,5
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
V1
qm_4
Konzentration C [% x 10]
V2
qm_3
V3
qm_2
V4
qm_1

A6 Messreihe 4 - 108 -
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
A6 Messreihe 4
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S2 Abbildungsposition 1 bei E1 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18
1,5
1
0,5
0
-0,5
Konzentration C [% x 10]
x/d=1 x/d=2 x/d=3
S2 Abbildungsposition 2 bei E1 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
x/d=4 x/d=5 x/d=6
S2 Abbildungsposition 1 bei E2 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
Konzentration C [% x 10]
x/d=1 x/d=2 x/d=3
A1
A2
B1

A6 Messreihe 4 - 109 -
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S2 Abbildungsposition 2 bei E2 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
x/d=4 x/d=5 x/d=6
S2 Abbildungsposition 1 bei E3 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
x/d=1 x/d=2 x/d=3
S2 Abbildungsposition 2 bei E3 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Konzentration C [% x 10]
x/d=4 x/d=5 x/d=6
B2
C1
C2

A6 Messreihe 4 - 110 -
y/d Swirler[ - ]
y/d Swirler[ - ]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
S2 Abbildungsposition 1 und 2 bei E4 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
Konzentration C [% x 10]
x/d=1 x/d=2 x/d=3
S2 Abbildungsposition 2 bei E4 V2 q_Tracer=1,7l/h
-1,5
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Konzentration C [% x 10]
x/d=4 x/d=5 x/d=6
D1
D2