Vierdimensionale Messung thermoakustischer Oszillationen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465013382

Thermoakustische Schwingungen stören Verbrennungsingenieure seit den Anfängen des Apollo-Programms. Heutzutage wächst das Bewusstsein für die Notwendigkeit einer dramatischen Reduzierung der Schadstoffemissionen, die für thermische Turbomaschinen in bodengestützten Gasturbinen und Flugtriebwerken mit dem Ziel einer klimaneutralen Luftfahrt und nachhaltiger Kraftstoffe immer wichtiger wird. Modernste Technologie erhöht die Anfälligkeit für thermoakustische Schwingungen in diesen emissionsarmen Maschinen. In einem früheren von FWF und DFG geförderten Projekt haben unsere gemeinsamen Gruppen in Graz und Dresden bewiesen, dass ein sogenanntes „kamerabasiertes laserinterferometrisches Vibrometer“ (CLIV) diese Dichte- und Wärmefreisetzungsschwingungen quantitativ erfassen kann. Nicht symmetrische Flammen erfordern jedoch eine multidirektionale Beobachtung, um dreidimensionale Rekonstruktionen lokaler Dichtestrukturen, Schallerzeugung und Konvektionsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Dieser Bedarf steht im Widerspruch zum eingeschränkten Sichtfeld (FOV) von CLIV. Die Verwendung der multidirektionalen Hintergrund-orientierten Schlieren-Methode (3D-BOS) könnte dieses Problem lösen, erfordert jedoch eine Kalibrierung durch laserinterferometrische Vibrometrie. Zusätzlich könnte eine Density-Tagging-Velocimetrie (DTV) durch Mehrfachbelichtungstechnik Informationen über die Flammendynamik und damit die vierte Dimension hinzufügen. Ein vielversprechender numerischer Ansatz zur Lösung dieses vierdimensionalen, schlecht gestellten Problems mit Projektionen mit begrenztem Winkel und fehlenden Daten ist die Anwendung tiefer neuronaler Netze (DNN).HYPOTHESE: Die zugrunde liegende Hypothese dieses Projekts besagt, dass die vierdimensionale Erfassung lokaler thermoakustischer Schwingungen, basierend auf der Kombination von CLIV mit 3D-BOS, DTV und DNN als Bindungselement, lokale und gekoppelte Informationen zu Verbrennung, Akustik und Fluiddynamik liefert.METHODEN: Das Projekt ist unter dem Gesichtspunkt des Zeitplans auf konventionelle Weise organisiert - Entwurf oder Neugestaltung, Konstruktion und Beschaffung, Prüfung und Messung sowie endgültige experimentelle Qualifizierung.ORGINALITÄTSSTUFE: Dieser neue Ansatz wird durch den jüngsten Paradigmenwechsel in der Digitalkameratechnologie und die rasche Entwicklung der künstlichen Intelligenz (Deep Learning) unterstützt, die beide auf die erhöhte verfügbare Rechenleistung zurückzuführen sind. Der DNN-Ansatz fügt der Kombination der anderen, etablierteren Techniken ein innovatives Element hinzu und wird die experimentelle Verbrennungsforschung sowie die Aeroakustik und Fluiddynamik fördern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Jakob Woisetschläger