Monochromatischer Strömungsprofilsensor mit Zeitmultiplex und Kalibriermodellen für Flüssigkeiten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Untersuchung mikrofluidischer Strömungen ist hochauflösende Messtechnik unabdingbar. So ist zur Optimierung von Brennstoffzellen, Taschenlaboren u. a. eine genaue Kenntnis der vorliegenden Strömung notwendig. Der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (LDV-PS) erlaubt die hochauflösende Vermessung mikroskaliger Strömungen. Durch eine Zweifachmessung an zwei unterschiedlichen, durch Wellenfrontkrümmung verzerrten Streifensystemen können Position und Geschwindigkeit von Partikeln in der Strömung mit Mikrometerauflösung bestimmt werden. Bisher wurden allerdings nur Laboraufbauten realisiert, welche leicht zu modifizieren sind und an die experimentellen Rahmenbedingungen angepasst werden können. Für die Kommerzialisierung ist jedoch ein universell einsetzbares Messsystem nötig. Aus diesem Grund wurden in diesem Projekt offene Fragen zur universellen Einsetzbarkeit des LDV-PS untersucht. Dabei wurde zum einen auf die Robustheit bei störenden Reflexen geachtet, wie sie bei Messungen in Wandnähe auftreten können. Zum anderen wurde die Flexibilität des Messsystems für die Messung in verschiedenen Fluiden untersucht, da unter anderem der Brechungsindex einen Einfluss auf die Kalibrierung hat. Da zusätzlich zum Brechungsindex die Eindringtiefe Einfluss auf die Kalibrierung hat, wurde ein Kalibriermodell entwickelt, welches die Umrechnung einer an Luft aufgenommenen Kalibrierung in ein beliebiges Medium in beliebiger Eindringtiefe mit beliebig vielen Phasenübergängen erlaubt. Ein Anwender benötigt daher ausschließlich die Kenntnis über den Anwendungsfall und die Kalibrierung, welche werksseitig ermittelt werden kann. Somit ist der Einsatz des LDV-PS unabhängig vom Anwendungsfall mit gleichbleibender Messunsicherheit möglich, wodurch die Einsetzbarkeit auf beliebige Fluide erweitert wird. Störende Reflexe in Wandnähe konnten durch den Einsatz fluoreszierender Partikel unterdrückt werden. Das von mit Farbstoffen markierten Partikeln emittierte Fluoreszenzlicht hat eine andere Wellenlänge als die Laser des LDV-PS. Daher kann das Streulicht mit einem geeigneten Filter unterdrückt werden. Der Einsatz fluoreszierender Partikel erforderte die Nutzung eines monochromatischen Sensors, wodurch Dispersionseffekte in Flüssigkeiten eliminiert wurden. Sowohl durch die Unterdrückung des Störlichts als auch die Eliminierung der Dispersionseffekte entfallen wesentliche Unsicherheitsbeiträge. Das Messsystem ist daher robuster und für den Einsatz in schwierigen Messumgebungen geeignet. Da die Fluoreszenzintensität im Allgemeinen temperaturabhängig ist, wurde untersucht, wie diese Eigenschaft zur Messung der Temperatur genutzt werden kann. Es wurde ein Konzept demonstriert, mit dem sich gleichzeitige Messung des Geschwindigkeits- und Temperaturprofils ermöglicht. Damit werden zusätzliche Anwendungsgebiete wie z. B. Wärmeübergangsmessungen eröffnet. Die Erkenntnisse des Projekts flossen in einen Demonstrator, welcher in verschiedene Strömungsumgebungen erprobt wurde. Die Möglichkeit des Einsatzes in unterschiedlichen Strömungen unterschiedlicher Fluiden konnte gezeigt werden. Die in diesem Projekt durchgeführten Arbeiten können zur Realisierung eines hochauflösenden Messsystems zur Geschwindigkeits- und Temperaturmessung bspw. durch einen Messtechnikanbieter wie ILA genutzt werden. Einsatzgebiete finden sich überall dort, wo Strömungen mit hohen Geschwindigkeitsgradienten vermessen werden sollen, bspw. Grenz- oder Scherschichten oder in der Mikrofluidik. Beispielanwendungen reichen von Spaltströmungen, Strömungen in Brennstoffzellen und Mikrokanälen bis hin zur Turbulenzforschung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Hochaufgelöste Strömungsmessungen in den Mikrokanälen einer Brennstoffzelle mittels Zeitmultiplex-Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor“, 26. GALA-Fachtagung “Experimentelle Strömungsmechanik”, S. 17.1–17.8, 4. – 6.09.2018, Rostock
A. E. Ramos Ruiz, C. Schober, F. Schmieder, F. Moyon, L. Feierabend, M. Dues, J. W. Czarske, L. Büttner
- “Strömungsverteilungsmessungen an einer Brennstoffzelle mit einem hochauflösenden Zeitmultiplex-Laser-Doppler-Profilsensor“, 27. Fachtagung “Experimentelle Strömungsmechanik“, Beitrag 47, Erlangen, 3.–5. September 2019
F. Bürkle, F. Moyon, L. Feierabend, M. Dues, L. Büttner, J. Czarske
- „Profilsensormessungen in einem Kanal mit poröser Wand, 27. Fachtagung “Experimentelle Strömungsmechanik“, Beitrag 6, Erlangen, 3.–5. September 2019
M. Dues, S. Burgmann, J. Kriegseis, L. Büttner, J. Czarske, U. Janoske
- “Investigation and equalisation of the flow distribution in a fuel cell stack”, Journal of Power Sources, 448 (2020), 227546
F. Bürkle, F. Moyon, L. Feierabend, J. Wartmann, A. Heinzel, J. Czarske, L. Büttner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227546) - “Flow-measurements in the wake of an adhering and oscillating droplet using laser Doppler velocity profile sensor”, Experiments in Fluids 62, 47, (2021)
S. Burgmann, M. Dues, B. Barwari, J. Steinbock, L. Büttner, J. Czarske, U. Janoske
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00348-021-03148-0) - „Gleichzeitige Temperatur- und Geschwindigkeits-profilmessung mit Mikrometerauflösung“, 28. GALA-Fachtagung „Experimentelle Strömungsmechanik“, Beitrag 5, Bremen, 7.–9.09.2021
F. Bürkle, L. Büttner, M. Dues, J. Czarske
- "Measurement and Numerical Simulation of the Velocity Profile in the Thin Film of an Impinging Water Jet." ASME. J. Fluids Eng. March 2022; 144(3): 031302
M. Joppa, M. Bermuske, F. Rüdiger, L. Büttner, J. Fröhlich, J. Czarske
(Siehe online unter https://doi.org/10.1115/1.4052361) - “Flow-measurements in the wake of an oscillating sessile droplet using laser-Doppler velocity profile sensor”, tm - Technisches Messen, vol. 89, no. 3, 2022, pp. 178-188
S. Burgmann, V. Kraemer, M. Dues, J. Steinbock, L. Büttner, J. Czarske, U. Janoske
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/teme-2021-0119) - „Simultaneous velocity profile and temperature profile measurements in microfluidics“, Flow Measurement and Instrumentation, 83 (2022), 102106
F. Bürkle, J. Czarske, L. Büttner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2021.102106)
