Experimental and numerical investigations on mixing processes in compressible nozzle flows
Final Report Abstract
Zur grundlegenden Untersuchung des Nachlaufs eines Zentralinjektors in einer transsonischen Düsenströmung wurden neuartige experimentelle Messtechniken und numerische Berechnungen entwickelt und eingesetzt. Dabei wurden Ansätze aus der ersten Förderperiode weiterentwickelt. Die Laserschattentechnik ermöglichte die Messung der Ablösefrequenz der Wirbel an der Injektorhinterkante mit hoher zeitlicher Auflösung. Diese Technik wurde zusammen mit der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) genutzt, um die instationären Prozesse im Nachlauf des Injektors phasenaufgelöst zu analysieren. Toluol diente dabei als molekularer Tracer. Frequenzinformationen aus den Laserschattendaten wurden zeitlich mit den Fluoreszenzaufnahmen korreliert und nach der Ablösephase sortiert und gemittelt. Obwohl die Fluoreszenzaufnahmen durch die Repetitionsrate des Lasers begrenzt sind, ermöglichte die Kombination mit hochfrequenten Laserschattendaten die Auflösung von Effekten oberhalb der Repetitionsrate des Lasers. Eine weitere Methode zur Bestimmung der Wirbelablösefrequenz wurde mit dem Einsatz einer eventbasierten Kamera in einem Schlierenaufbau entwickelt. Diese aus der Computer Vision stammende Technologie zeichnet nicht kontinuierlich Bilder auf, sondern registriert nur Ereignisse, wenn die Helligkeit eines Pixels über oder unter einen Schwellwert wechselt. Im Gegensatz zu Hochgeschwindigkeitskameras, die eine ähnliche Zeitauflösung bieten können, ist die Datenrate, die Baugröße sowie der Preis erheblich reduziert. Für die Messungen wurde die Strömung durch den Injektor mit Partikeln beladen, sowie numerische Simulationen der Düsenströmung durchgeführt. Zur Ermöglichung zukünftiger quantitativer LIF-Messungen im Kanal wurden Fluoreszenzspektren und -lebensdauern von Anisol- und Toluoldampf in Stickstoff unter Bedingungen unterhalb der Raumtemperatur (257–293 K und 100–2000 mbar) bei einer Anregung mit einem Laser bei 266 nm gemessen. Dies erweitert die Anwendung der LIF von Anisol und Toluol in expandierenden Strömungen und bei starker Verdampfungskühlung. Bei Anisol führte sinkender Druck zu breiteren Spektren und kürzeren Fluoreszenzlebensdauern, was auf eine verringerte Kollisionsrate hinweist. Bei Toluol wurde erstmals der Übergang von photoinduzierter Erwärmung zu Kühlung für Anregung bei 266 nm beobachtet. Diese Daten bestätigen frühere Vorhersagen und sind wichtig für die Weiterentwicklung photophysikalischer (Step-Ladder)Modelle. Da diese Übergänge Phasen markieren, in denen die Moleküle nach der Anregung thermisch ausgeglichen sind, bieten sie wertvolle Anhaltspunkte zur Anpassung empirischer Parameter und ermöglichen die analytische Bestimmung der Energieübertragung vom Grund- in den angeregten Zustand. Diese Daten erlauben zudem Temperatur- und Druckmessungen in beschleunigten kalten Strömungen mithilfe der LIF beider Tracer.
Publications
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Low-temperature and low-pressure effective fluorescence lifetimes and spectra of gaseous anisole and toluene. Applied Physics B, 127(4).
Beuting, M.; Dreier, T.; Schulz, C. & Endres, T.
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„Ein Beitrag zum Verständnis transsonischer, beschleunigter Strömungen im Nachlauf zweier Zentralinjektoren“, Promotionsschrift, 2021, Universität Stuttgart
J. Richter
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„Laser-induced fluorescence on organic tracers for gas mixing studies in trans- and supersoni flows“, Promotionsschrift, 2021, Universität Duisburg-Essen
M. Beuting
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Particle Image Velocimetry Measurements in Accelerated, Transonic Wake Flows. Flow, Turbulence and Combustion, 109(3), 667-696.
Richter, Judith; Alexopoulos, Charalampos & Weigand, Bernhard
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Non-Intrusive Frequency Measurements With Laser Shadowgraphy And Event-Based Schlieren Imaging Of Bluff Body Wakes In Compressible Flow. Proceedings of the International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, 21, 1-11.
Nüßle, Max; Ebertz, Felix Luc; Essig, Nicklas; Schulz, Christof; Weigand, Bernhard & Steinhausen, Christoph
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„Frequency Measurements with an Event Based Schlieren Method”, Deutsch-Chinesischer Workshop für Turbinenkühlung, Jul. 2024, Shanghai
M. Nüßle
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„Phase Locking of Laser Induced Fluorescence Using Laser Shadowgraphy in Transonic Nozzle Flow“, International Society of Air Breathing Engines (ISABE) 2024, Sep. 2024, Toulouse
M. Nüßle; F. L. Ebertz; B. Weigand & C. Schulz
