Ortsaufgelöste Messung von instationären Konzentrations- und Temperaturfeldern mittels Schlieren- und LIF-Messtechnik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Kraume
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423448517

Das beantragte Projekt widmet sich der quantitativen Bestimmung von lokalen und instationären Konzentrations- und Temperaturfeldern an Phasengrenzflächen. Diese Felder bestimmen den stattfindenden Stoff- oder Energietransport maßgeblich und sollen mittels Schlieren-Messtechnik optisch quantitativ erfasst werden. Die Messtechnik erlaubt eine quasi instantane, zweidimensionale Untersuchung des Messvolumens. Aus den Aufnahmen können die Übergangskoeffizienten non-invasiv zeitlich sowie örtlich aufgelöst ermittelt werden. Dadurch kann transientes Verhalten aufgeklärt werden, welches bisher bei der Auslegung von Kontaktapparaten, basierend auf empirischen Gleichungen, nicht ausreichend berücksichtigt wird. Ein Beispiel für transiente Grenzflächenphänomene ist die Marangoni-Konvektion, welche den Stofftransport bspw. an ruhenden Einzeltropfen beeinflusst. Die Berücksichtigung dieses Einflusses eröffnet ein großes Optimierungspotential bei der Apparateauslegung und hilft, tieferes Verständnis über die Grundlagen von Stoffübergangsvorgängen zu erlangen. Zudem liefern die Messungen genaue experimentelle Daten, um numerische Ansätze zu validieren und Vorhersagen zu verbessern.Im Rahmen der Messungen sollen Transportkoeffizienten an verschiedenen Geometrien bestimmt werden. Dabei wird zunächst der Energietransport an selbst gefertigten Prüfkörpern vermessen, da sich bei der Nutzung von Temperaturfeldern besser definierbare Bedingungen reproduzierbar einstellen lassen und so die Messprozedur validiert werden kann. Im Rahmen dessen wird auch ein Auswertealgorithmus für sphärische Felder implementiert. Darauf aufbauend werden Konzent-rationsfelder an ebenen Grenzflächen und an Einzeltropfen vermessen, wobei zunächst Flüssig/flüssig-Systeme ohne und anschließend mit Grenzflächeninstabilitäten untersucht werden.Ein wichtiger Teilbereich des Projekts ist die Weiterentwicklung des Messaufbaus im Hinblick auf Messgenauigkeit und –zuverlässigkeit. Hierbei werden Verbesserungen auf Hard- und Softwareebene vorgenommen, beispielsweise die Integration einer Linearführung zur präziseren Filterpositionierung oder die Nutzung fortgeschrittener Bildbearbeitungsverfahren.Aufgrund der erstmaligen Nutzung der Schlieren-Messtechnik zur quantitativen Bestimmung des Flüssig/flüssig-Stofftransports werden mehrere Validierungsschritte vorgenommen. Mittels Laser Induced Fluorescence (LIF) sollen die gemessenen Daten experimentell validiert werden. Zusätzlich wird die Schlieren-Messtechnik durch numerische Verfahren wie Computational Fluid Dynamics (CFD) und Strahlverfolgungsrechnungen validiert. Darüber hinaus bietet die Strahlverfolgungsrechnung die Möglichkeit, die Messgenauigkeit sowie die Sensitivität zuverlässig zu überprüfen. Schlussendlich dient der Aufbau einer zweiten optischen Achse der Validierung von Annahmen und bildet den Ausgangspunkt zur Analyse unregelmäßig geformter Konzentrationsfelder, wie sie beim Auftreten von Grenzflächeneffekten vorliegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Lutz Böhm