DA032 - Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe ...

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.