Full-Field Laser Vibrometry for Combustion Diagnostics
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde durch die länderübergreifende Zusammenarbeit beider Institutionen die Haupthypothese, dass die bildgebende Vibrometrie zur simultanen und tracerlosen Erfassung von Wärmefreisetzungsraten und Strömungsgeschwindigkeiten in drallstabilisierten Flammen implementiert werden kann, bewiesen. Es wurde gezeigt, dass diese simultanen Messungen die Detektion der Flammentransferfunktion, sowie zeitlich und räumlich hochaufgelöste Messungen verschiedener physikalischer Größen, wie Dichte oder Druck ermöglichen. Dabei liefert die fundierte theoretische und experimentelle Analyse der Anwendung von Laservibrometern für Messungen der Flammentransferfunktion einen grundlegend neuen Ansatz für die Bereiche der Verbrennungsdiagnostik und Thermoakustik, der erstmals eine umfangreiche Untersuchung drall-stabilisierter Flammen mit nur einem Messsystem erlaubt, ohne störende Einflüsse, wie beispielsweise die Zugabe von Tracer-Partikeln. Die in diesem Projekt erfolgte Kombination dieses neuen Ansatzes mit modernen Hochgeschwindigkeitskameras zeigte das große Potential dieser Technik durch die Nutzung von Korrelationstechniken zur Bestimmung der örtlich aufgelösten Strömungsgeschwindigkeit. Das in diesem Projekt entwickelte kamerabasierte Laservibrometer wurde durch Referenzund Vergleichsmessungen an bekannten Dichteänderungen, sowie drall-stabilisierten Flammen experimentell validiert. Aufgrund der hohen Abtastrate von 200 kHz bei einer örtlichen Auflösung von 0,47 mm² ermöglicht das System auch die Erfassung stark transienter Vorgänge, wie beispielsweise Zündprozesse. Weiterhin wurde gezeigt, dass die ausschnittsweise Korrelation der detektierten Dichtestrukturen, vergleichbar dem Vorgehen bei der „Particle Image Velocitmetry“, nicht nur die mittlere Strömungsgeschwindigkeit am Brennerausgang liefert, sondern auch die bildgebende Erfassung der 2D/2C-Geschwindigkeitsfelder ermöglicht. Diese Technik zur tracerlosen Geschwindigkeitsmessung bietet Potential zur Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen der Strömungsmechanik von Fluidströmungen, bei denen häufig sowohl die Erfassung der Dichte als auch der Geschwindigkeit von Interesse sind. Die Erkenntnisse der Projektarbeiten ermöglichen die Anwendung des neuen Messansatzes in umfangreichen Experimentierreihen an verschiedenen Versuchsständen, wobei das neue kamerabasierte Laservibrometer zeiteffiziente Messungen mit hohen Datenraten und somit umfangreiche Parameterstudien ermöglicht, die zur Entwicklung und Verbesserung physikalischer Modelle führen können. Gerade im betrachteten Bereich der Verbrennungsdiagnostik spielen diese Modelle eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung moderner Brenner für Triebwerke oder Gasturbinen und besitzen somit hohe Relevanz für die Gesellschaft und insbesondere den Umweltschutz.
Publications
- “High-speed non-intrusive measurements of fuel velocity fields at high-pressure injectors”, Optics and Lasers in Engineering, pp. 91-100, 2017
J. Gürtler, R. Schlüßler, A. Fischer, J. Czarske
(See online at https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.10.003) - “Camera based full-field laser interferometric vibrometry for combustion Diagnostics”, 19th International Symposium on the Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, 16.–19.07.18, Lisbon/Portugal
F. Greiffenhagen, J. Woisetschläger, J. Gürtler, R. Kuschmierz, J. Czarske
- “Comparison of flame transfer functions measured with locally resolved full-fieldvibrometry and OH*-chemiluminescence”, ASME Turbo Expo 2018: Turbine Technical Conference and Exposition, 11.06.-15.06.2018, Lillestrøm, Norway
F. Greiffenhagen, J. Woisetschläger, J. Gürtler, H. Scholz, R. Kuschmierz, J. Czarske
(See online at https://doi.org/10.1115/GT2018-75460) - “Simultaneous measurements of velocity and density of transient flows using high-speed camera technique”, SPIE Photonics Europe, 22.-26.04.2018, Strasbourg, France
J. Gürtler, A. Ramos, J. Woisetschläger, R. Kuschmierz, F. Greiffenhagen J. Czarske
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2309528) - “Discussion of laser interferometric vibrometry for the determination of heat release fluctuations in an unconfined swirl-stabilized flame“, Combustion and Flame, 2019
F. Greiffenhagen, J. Peterleithner, J. Woisetschläger, A. Fischer, J. Gürtler, J. Czarske
(See online at https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.12.019) - „Quantitative measurement of density fluctuations with a full-field laser interferometric vibrometer”, Experiments in Fluids, 61(1), 9, 2020
F. Greiffenhagen, J. Woisetschläger, J. Gürtler, J. Czarske
(See online at https://doi.org/10.1007/s00348-019-2842-y)
