Ortsaufgelöste Messung von instationären Konzentrations- und Temperaturfeldern mittels Schlieren- und LIF-Messtechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das durchgeführte Projekt zielte auf die quantitative Bestimmung von lokalen und instationären Konzentrations- und Temperaturfeldern an Phasengrenzflächen ab. Diese Felder sind entscheidend für den stattfindenden Stoff- oder Energietransport und sollten mittels Schlieren- Messtechnik optisch und quantitativ erfasst werden. Die Messtechnik ermöglicht eine quasiinstantane, zweidimensionale Untersuchung des Messvolumens. Aus den Aufnahmen können die Übergangskoeffizienten non-invasiv sowohl zeitlich als auch räumlich ermittelt werden. Dies ermöglicht die Aufklärung von transientem Verhalten, das bei der Auslegung von Kontaktapparaten bisher, aufgrund der Beschränkung auf empirische Gleichungen, nicht ausreichend berücksichtigt wurde. Ein Beispiel für transiente Grenzflächenphänomene ist die Marangoni-Konvektion, die den Stofftransport, beispielsweise an ruhenden Einzeltropfen, signifikant beeinflusst. Die Berücksichtigung dieses Einflusses eröffnet erhebliches Optimierungspotential bei der Auslegung von Apparaten und trägt dazu bei, ein tieferes Verständnis der Grundlagen von Stoffübergangsvorgängen zu entwickeln. Zudem liefern die Messungen präzise experimentelle Daten, die zur Validierung numerischer Modelle und zur Verbesserung von Vorhersagen genutzt werden können. Im Rahmen der Studie sollten Transportkoeffizienten für verschiedene Geometrien bestimmt werden. Zunächst wurde der Energietransport an eigens gefertigten Prüfkörpern vermessen. Der Einsatz von Temperaturfeldern ermöglichte reproduzierbarere und besser definierbare Bedingungen, wodurch die Messprozedur validiert werden konnte. In diesem Zusammenhang wurde auch ein Auswertealgorithmus für sphärische Felder implementiert. Auf dieser Grundlage wurden anschließend Konzentrationsfelder an ebenen Grenzflächen und an Einzeltropfen vermessen. Dabei erfolgte die Untersuchung der Flüssig/flüssig-Systeme zuerst ohne und danach mit Grenzflächeninstabilitäten. Ein wesentlicher Teilbereich des Projekts war die Weiterentwicklung des Messaufbaus zur Steigerung der Messgenauigkeit und -zuverlässigkeit. In diesem Zusammenhang wurden Verbesserungen sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene durchgeführt. Dazu gehörte die Integration einer Linearführung für eine präzisere Filterpositionierung sowie die Anwendung fortschrittlicher Bildbearbeitungsverfahren. Aufgrund der erstmaligen Anwendung der Schlieren-Messtechnik zur quantitativen Bestimmung des Flüssig/flüssig-Stofftransports wurden mehrere Validierungsschritte durchgeführt. Zur experimentellen Validierung der gemessenen Daten wurde die Laser Induced Fluorescence (LIF) Technik eingesetzt. Zusätzlich wurde die Schlieren-Messtechnik mittels numerischer Verfahren wie Computational Fluid Dynamics (CFD) und Strahlverfolgungsrechnung numerisch validiert. Die Strahlverfolgungsrechnung ermöglichte zudem die zuverlässige Überprüfung der Messgenauigkeit und der Sensitivität. Schließlich diente der Aufbau einer zweiten optischen Achse zur Validierung von Annahmen und stellte den Ausgangspunkt für die Analyse unregelmäßig geformter Konzentrationsfelder dar, wie sie bei Grenzflächeneffekten auftraten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development of an experimental setup applying rainbow schlieren deflectometry for visualization and quantification of heat and mass transfer in multiphase systems in Proceedings of the 5th International Conference on Experimental Fluid Mechanics ICEFM 2018 Munich, Kähler, C. and Hain, R. and Scharnowski, S. and Fuchs, T., Eds. 226-231.
Schulz, Joschka M.; Junne, Henning; Böhm, Lutz & Kraume, Matthias
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Measuring local heat transfer by application of Rainbow Schlieren Deflectometry in case of different symmetric conditions. Experimental Thermal and Fluid Science, 110, 109887.
Schulz, Joschka M.; Junne, Henning; Böhm, Lutz & Kraume, Matthias
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Ortsaufgelöste Messung von Konzentrations- und Temperaturfeldern mittels Schlieren und LIF-Messtechnik. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachguppen Fluidverfahrenstechnik, Adsorption und Extraktion 2020, Berchtesgarden, Germany. (Präsentation)
Junne, H., Schulz, J., Böhm, L. & Kraume, M.
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Real‐Time Visualization of Internal and External Concentration Fields in Multiphase Systems via Laser‐induced Fluorescence and Rainbow Schlieren Deflectometry During and After Droplet Production. Chemie Ingenieur Technik, 93(1-2), 180-190.
Heine, Jens Stefan; Schulz, Joschka Marco; Junne, Henning; Böhm, Lutz; Kraume, Matthias & Bart, Hans‐Jörg
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Spatially resolved measurement of concentration and temperature fields using Schlieren technique. 4th International Symposium on Multiscale Multiphase Process Engineering, Berlin, Germany. (Poster)
Junne H., Böhm L. & Kraume M.
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Rainbow Schlieren Deflectometry for spherical fields: A new algorithm and numerical validation approach. Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals, 85(9), 1178-1201.
Junne, Henning; Jurtz, Nico; Schulz, Joschka M.; Kraume, Matthias & Böhm, Lutz
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Validierung eines neuen Algorithmus zur Bestimmung sphärischer Brechungsindexfelder mittels freier Konvektion. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Computational Fluid Dynamics und Wärme- und Stoffübertragung, Frankfurt a.M., Germany. (Präsentation)
Junne H., Jurtz N., Böhm L. & Kraume M.
