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Analyse laseroptischer Messprinzipien zur Untersuchung der Transportprozesse während der Sprühstrahl-Wandfilm-Interaktion = Analysis of laser-optical measurement principles to investigate transport processes during spray-wall-film interaction
2024 & 2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-18
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04189
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010571/files/1010571.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Filmdickenmessung (frei) ; Interferometrie (frei) ; Konzentrationsmessung (frei) ; Sprühstrahl-Wandfilm-Interaktion (frei) ; concentration measurement (frei) ; film thickness measurement (frei) ; interferometry (frei) ; laser induced fluorescence (frei) ; laserinduzierte Fluoreszenz (frei) ; spray-wall-film interaction (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit werden zwei laseroptische Messsysteme für die Untersuchung von Sprühstrahl-Wand-Film-Interaktionen entwickelt, analysiert und hinsichtlich ihrer Eignung für die Anwendung bewertet. Bisher fehlen Messsysteme, die in der Lage sind, zwischen Sprühstrahl- und Wandfilmfluid zu unterscheiden und deren jeweiligen Massenanteile zu messen. Eine quantitative Ermittlung der bei der Interaktion ausgetragenen Wandfilmfluidmenge konnte deshalb bisher nicht durchgeführt werden. Die beiden Systeme werden an einen Prüfstand angepasst, um die Wechselwirkung eines Dieselsprays mit einem dünnen Wandfilm zu untersuchen. Das erste entwickelte System misst zeitlich und räumlich aufgelöst die Filmdicke nach den Prinzipien eines Fizeau-Interferometers. Das zweite System nutzt die planare laserinduzierte Fluoreszenz für räumlich aufgelöste und zeitlich gemittelte Messungen der Filmdicke und der Massenanteile. Beide Messsysteme werden theoretisch auf ihre technischen und physikalischen Limitierungen, sowie bezüglich der zu erwartenden Messabweichungen untersucht. Die technische Anwendbarkeit der Messsysteme wird schlussendlich anhand erster Messungen am Versuchsträger beurteilt. Obwohl das Fizeau-Interferometer eine bessere Messgenauigkeit und zeitliche Auflösung bietet, ist die planare laserinduzierte Fluoreszenz das geeignetere Messsystem für Untersuchungen der Sprühstrahl-Wandfilm-Interaktion. Das Interferometer ist in der Lage, Dicken für Oberflächenwinkel kleiner als 4° in einem begrenzten Messfeld zu messen. Die begrenzte Auflösungsfähigkeit für Oberflächenwinkel verhindert eine Messung während der Interaktion. Eine Messung kann erst ca. zehn Millisekunden nach der Interaktion realisiert werden. Eine hohe zeitliche Auflösung ist dann allerdings nicht mehr erforderlich. Die laserinduzierte Fluoreszenz ist hinsichtlich der einsetzbaren Flüssigkeiten limitiert. Außerdem können die Filmdicke und die Massenanteile nur in getrennten Messungen bestimmt werden. Die Messwerte entsprechen somit einem Mittelwert für mehrere Einspritzungen. Dennoch konnte mit diesem Messsystem erstmals Filmdicken und Flüssigkeitskonzentrationen nach der Interaktion ermittelt werden. Die Messungen zeigen eine vollständige Verdrängung des Wandfilms in der Einspritzzone und bei hohen Einspritzdrücken ein signifikanter Wandfilmabtrag, was die Notwendigkeit quantitativer Filmdicken- und Konzentrationsmessungen unterstreicht.In the present work, two laser optical measurement systems for the investigation of spray-wall-film-interactions are developed, analyzed, and evaluated with respect to their suitability for the application. There is a lack of measurement systems that are capable to distinguish between spray and wall-film fluid to measure their mass fractions. Therefore, the wall film fluid discharged into the atmosphere during spray-wall-film-interaction is not quantified so far. The two systems are adapted to a test bench to investigate the interaction of a Diesel spray with a thin wall film. The first developed system measures temporally and spatially resolved the film thickness based on the principles of a Fizeau-interferometer. The second system uses planar laser-induced fluorescence for spatially resolved and time-averaged measurements of the film thickness and fluid concentration. The technical and physical limitations are analyzed, and the estimated measurement accuracy are determined. The technical applicability of the measurement systems is evaluated with a first application on the test bench. Although the Fizeau interferometer provides better measurement accuracy and temporal resolution, planar laser-induced fluorescence is the more suitable measurement system for the application. The interferometer is only able to measure thicknesses for surface angles smaller than 4° and in addition the measurement field is very limited. Thus, the interferometer is only able to determine the film thickness 10 millisecond after the interaction finished. However, temporal resolution is then no longer necessary. Laser-induced fluorescence is limited in the use of liquids, and both quantities can only be determined by averaging over many injections. Nevertheless, the measurement system determines film thicknesses and fluid concentrations after the interaction for the first time. Thereby, complete displacement of the wall film in the spray impingement zone is observed. In addition, for investigations at high injection pressures a significant wall film removal is measured and emphasized the necessity of quantitative film thickness and concentration measurements.
OpenAccess: 
PDF
(zusätzliche Dateien)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT031043298
Interne Identnummern
RWTH-2025-04189
Datensatz-ID: 1010571
Beteiligte Länder
Germany
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