Doppelpulslaser bei hohen Pulswiederholraten
Final Report Abstract
Der in dem Projekt beschaffte Doppelpulslaser bei hohen Wiederholraten (kHz) ist die Grundvoraussetzung, um die Methode der particle image velocimetry (PIV) für Strömungsfelduntersuchungen bei hoher Zeitauflösung anzuwenden. Bei der PIV werden zwei aufeinanderfolgende Miestreulichtbilder von Partikeln, die der (turbulenten) Strömung zugegeben werden, miteinander korreliert. Daraus wird eine räumliche Partikelverschiebung bestimmt, die zusammen mit der bekannten Zeit zwischen den beiden Pulsen eine Geschwindigkeitsmagnitude in eine Raumrichtung ergibt. Dieses Verfahren kann über die Nutzung von zwei stereoskopisch angeordneten Kameras auf die Erfassung aller drei Geschwindigkeitskomponenten in einer zweidimensionalen Messebene genutzt werden. Das Besondere des hier verwendeten Lasers sind die variablen hohen Wiederholraten, die Strahleigenschaften (gute Fokussierbarkeit) und die hohen Einzelpulsenergien. Diese Eigenschaften ermöglichen es, auch in komplexen Geometrien (z.B. Zylinderinnenraum eines Hubkolbenmotors) und transienten Strömungsbedingungen Geschwindigkeitsfelder zeitlich zu verfolgen. Der Doppelpulslaser wurde und wird in sehr verschiedenen Forschungsprojekten zur Geschwindigkeitsfeldmessung eingesetzt. Aus den laufenden Projekten werden an dieser Stelle nur zwei exemplarisch herausgegriffen. Bei der Anwendung zur Untersuchung innermotorischer Strömungen im Ottomotor besteht das Ziel darin, in ausgewählten Ebenen (wie z.B. der Zylindermittelebene) das Strömungsfeld für einzelne Zyklen über den Ansaugtrakt, den Kompressionstakt, den Arbeitstakt und den Ausstoßtakt zeitlich zu verfolgen. Die hohe Wiederholrate erlaubt hier, je nach Motordrehzahl, eine Auflösung in der Größenordnung eines Grad Kurbelwinkels. Über die Aufnahme vieler Zyklen kann weit über eine phasenbezogene Angabe von Mittelwert und Varianz der Strömungsfeldgrößen hinausgegangen werden. Es konnten erstmals auch die Trajektorien von Wirbelzentren (Tumble) raumzeitlich verfolgt werden und damit zyklische Schwankungen besser visualisiert und quantifiziert werden. Über die simultane Messung der Flammenposition (kurz nach erfolgter Funkenzündung) zeitgleich zu der Geschwindigkeitsfeldinformation wurde ein volumetrischen Messverfahren entwickelt, um direkt lokale turbulente Brenngeschwindigkeiten im Ottomotor zu messen. Diese Pionierarbeit war nur durch den Laser mit seinen besonderen Leistungsmerkmalen möglich. Das andere für diesen Bericht gewählte Beispiel ist aus dem Bereich der Selbstzündung, die (erwünscht oder auch unerwünscht) in technischen Verbrennungssystemen eine herausragende Bedeutung hat. In einem speziellen Versuchsstand an der TU Darmstadt können Selbstzündungsprozesse erstmals in einem turbulenten Heißgasstrom mit variablen Turbulenzeigenschaften untersucht werden. Die zeitaufgelöste PIV wurde hier genutzt, um neben statistischen Momenten zur Beschreibung von Geschwindigkeitsfeldern turbulente Zeitmaße zu bestimmen. Dies setzt hohe Wiederholraten voraus, die in einem großen Messbereich mit diesem leistungsstarken Laser zugänglich waren. In Kombination mit einer simultanen Visualisierung des Flammenkerns im Verlauf einer Selbstzündung konnten u.a. Wachstumsraten der Zündkerne quantifiziert werden. Die Erfassung relativ großer Messebenen setzte hinreichend hohe Pulsenergien voraus, die durch dieses spezielles Lasersystem bereit gestellt werden. Die erläuterten Strömungsfeldmessungen bilden die Grundlage für ein verbessertes phänomenologisches Verständnis. Sie werden darüber hinaus auch genutzt, um die Vorhersagen numerischer Simulationsrechnungen zu beurteilen (Validierung). Die Messungen am Motor unter Nutzung des hier beschafften Lasers haben zu einer einzigartigen Datenbasis geführt, die intensiv vor allem für Validierungen numerischer Simulationen von Zylinderinnenströmungen genutzt werden. Im „Darmstadt Engine Workshop“ kommen seit ca. 1,5 Jahren derzeit acht Gruppen aus dem In- und Ausland zusammen, um über den Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentellen Resultaten zu diskutieren. Das über PIV gemessene Strömungsfeld, das mit dem beschafften Laser analysiert wurde und wird, bildet hier eine zentrale Grundlage.
Publications
- Simultaneous dual plane OH-LIF and stereoscopic PIV measurements of flame propagation in a spark-ignition engine In: Proceedings of the European Combustion Meeting. Lund, SWE, June 25-28, 2013
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- Comprehensive Engine Combustion Characterization for LES Validation. In: Proceedings of the LES4ICE International Conference. LES for Internal Combustion Engine Flows. Rueil-Malmaison, France, Dec 4-5. IFP, 2014
Baum, E.; Peterson, Brian; Ding, C.-P.; Dreizler, A.; Böhm, B.
- (2015): A novel plasma heater for auto-ignition studies of turbulent nonpremixed flows In: Exp Fluids 56 (10)
Eitel, Felix; Pareja, Jhon; Geyer, Dirk; Johchi, Ayane; Michel, Florian; Elsäßer, Wolfgang; Dreizler, Andreas
(See online at https://doi.org/10.1007/s00348-015-2059-7) - Early flame propagation in a spark-ignition engine measured with quasi 4D-diagnostics. In: Proceedings of the Combustion Institute 35 (3), S. 3829–3837, 2015
Peterson, B.; Baum, E.; Böhm, B.; Dreizler, A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.131) - Influence of directinjection on the volumetric flow field in a gasoline engine captured by tomographic PIV In: Proceedings Engine Combustion Processes – Current Problems and Modern Techniques, Ludwigsburg 12.-13. March, 2015
Peterson, B.; Ding, C.-P.; Baum, E.; Michaelis, D.; Dreizler, A.; Böhm, B.
