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Experimentelle Untersuchungen zur Tropfenverdampfung mit zeitlich hochaufgelösten, laserdiagnostischen Methoden unter extremen Bedingungen

Beschreibung

Die Einspritzung eines Fluides in eine überkritische Umgebung hat das Potenzial zur Verbesserung energietechnischer Prozesse, wie z. B. der Verbrauchsminimierung in aufgeladenen motorischen Brennverfahren oder der Kontrolle von Verbrennungsinstabilitäten. Der gezielte Einsatz einer überkritischen Einspritzung in technischen Prozessen wird derzeit dadurch erschwert, dass die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse nur unzureichend verstanden sind. Dies betrifft vor allem den Aufbruch, die „Verdampfung“ sowie die Vermischung eines Fluides beim Übergang von unter- zu überkritischen Bedingungen (die Verdampfung setzt eine Phasengrenze voraus, die beim
Übergang zu überkritischen Bedingungen nicht mehr existiert; da jedoch kein prägnanter Ausdruck für diesen Prozess existiert, soll in diesem Kontext trotzdem der Terminus „Verdampfung“ verwendet werden, wenn beispielsweise der Übergang von einer
Flüssigkeit (p > pkrit, T > Tkrit)
beschrieben wird). Hier fehlt es an detaillierten experimentellen Untersuchungen, die für eine
Modellentwicklung und Validierung unerlässlich sind.

Die Zielstellung dieses Teilprojektes ist daher eine umfangreiche experimentelle Untersuchung des Verdampfungs- und Mischungsprozesses isolierter Tropfen, die in eine überkritische oder naheüberkritische Umgebung eingespritzt werden. Auf Grundlage dieser Daten soll auch durch Kooperation innerhalb des SFB-TRR 75 die mathematische Regime-übergreifende Modellierung der physikalischen Prozesse verbessert werden. Das setzt klar definierte Randbedingungen im Experiment voraus. Im Gegensatz zu Sprayuntersuchungenlassen sich klar definierte und reproduzierbare Randbedingungen für isolierte Tropfen gewährleisten, die in eine optisch zugängliche Kammer hohen Drucks und hoher Temperatur eingebracht werden. Es sollen Messmethoden weiterentwickelt und eingesetzt werden, die eine quantitative und genaue Bestimmung der Tropfenmorphologie, der Größe, der Geschwindigkeit, der Mischung mit der umgebenden Gasphase und den Übergang von unter- zu überkritischen Zuständen ermöglicht.
Zusammenfassend ist somit das Ziel, die zeitliche Entwicklung des Tropfens während seines Übergangs in einen überkritischen Zustand möglichst umfassend experimentell zu beschreiben, Daten zur Validierung einer Regime-übergreifenden mathematischen Modellierung zur Verfügung zu stellen und damit die Grundlage für zukünftige innovative Brennstoffeinspritzungstechnologien zu schaffen.


Die methodischen Herausforderungen dieses Projektes sind zum einen der Prüfstandsaufbau, der die kontrollierte Einspritzung einzelner Tropfen oder Tropfenketten in eine Gasumgebung ermöglicht, deren Druck- und Temperaturniveau sich bis in den für die eingespritzte Flüssigkeit überkritischen Bedingungen variieren lässt. Zum zweiten gibt es nur wenige Methoden, die das Potenzial haben, den Übergang eines anfänglich flüssigen Tropfens in einen überkritischen Zustand sowie die Mischungsprozesse mit der umgebenden Gasphase experimentell zu untersuchen. In diesem Projekt werden verschiedene optische Methoden auf ihre Tauglichkeit für diese anspruchsvollen Messaufgaben untersucht und dann angewandt, um als Modellsystem die zeitliche Entwicklung von Acetontropfen nach ihrem Einbringen in eine O2/N2-Umgebung zu untersuchen. Dabei werden die Umgebungsbedingungen bei variabler O2-Konzentration bis in den für Aceton
überkritischen Bereich (pkrit~48±4bar, Tkrit~508±2K) variiert. Zusätzlich zu dem Medium Aceton werden weitere Flüssigkeiten wie Fluorketone und Alkane wie n-Heptan untersucht. Auf Grundlage dieser Untersuchungen sollen nachfolgende flüssige Jets bis hin zu überkritischen Bedingungen untersucht werden.


Die Komplexität der gestellten Aufgabe erfordert eine sehr umfangreiche Expertise auf verschiedenen Teilgebieten. Dies spiegelt sich in zwei Teilprojektleitern wider, deren Kompetenzen sich ideal ergänzen. Erst die Verteilung auf die Standorte Stuttgart und Darmstadt ermöglicht eine solch umfangreiche experimentelle Charakterisierung. Außerdem trägt die verteilte Projektleitung zu einer noch engeren Vernetzung der Standorte bei. Das Projekt zeichnet darüber hinaus verantwortlich für die Koordinierung aller im Transregio verwendeten Messmethoden und übernimmt damit eine Querschnittsfunktion.

Team

Prof. Dr. rer. nat. habil. Andreas Dreizler

Prof. Dr. rer. nat. habil. Andreas Dreizler

Vorstand | Leiter Projektbereich B | TP-Leiter B2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-2257
Dr.-Ing. Grazia Lamanna

Dr.-Ing. Grazia Lamanna

TP-Leiterin B2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685-62173
Dr.-Ing. Benjamin Böhm

Dr.-Ing. Benjamin Böhm

B2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-2502
Andreas Preusche, M.Sc.

Andreas Preusche, M.Sc.

B2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 6151 16-2770
Christoph Steinhausen, M. Sc.

Christoph Steinhausen, M. Sc.

B2 Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! +49 711 685 62444
4041434445

Publikationen

2017

Lamanna, G., Weckenmann F., Steinhausen, C., Weigand, B., Bork, B., Preusche, A.,Dreizler, A., Stierle  R., Groß J.:
Laboratory experiments of high-pressure fluid drops.
AAIA Progress Series, High Pressure Flows for Propulsion Applications, 2017.

Bork, B., Preusche, A., Weckenmann, F., Lamanna, G., Dreizler, A.:
Measurement of species concentration and estimation of temperature in the wake of evaporating n-heptane droplets at transcritical conditions.
Proc. of the Comb. Inst., 36: 2433–2440, 2017.

Ouedraogoa, Y., Gjonaja, E., Weiland, A., Steinhausen, C., Lamanna, G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A.:
Electrohydrodynamic simulation of electrically controlled droplet generation.
Int. J. of Heat and Fluid Flow, 64: 120–128, 2017.

Steinhausen, C., Lamanna, G., Weigand, B., Stierle, R., Groß, J., Preusche, A., Dreizler, A.:
Experimental Investigation of Droplet Injections in the Vicinity of the Critical Point: A comparison of different model approaches.
28th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Valencia, Spain, 2017.

 

2015

G. Lamanna, H. Kamoun, B. Weigand, Dr. C. Manfletti, Dipl.-Ing. A. Rees, Dr. J. Sender, Prof. M. Oschwald, Dr. J. Steelant,
Flashing behaviour of rocket engines propellants.
Atomization and Sprays, Vol. 25, No. 10, pp. 837–856, 2015

Bork, B.: Tropfenverdampfung in transkritischer Umgebung:
Untersuchung mit laserspektroskopischen Methoden.
Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2015.

2014

F. Weckenmann, G. Lamanna, B. Weigand, Dipl.-Ing. Benjamin Bork, Prof. Dr. rer. nat. Andreas Dreizler
Experimental Investigation of Droplet Injections in the Vicinity of the Critical Point
14th European Meeting on Supercritical Fluids, Marseille, 2014

Bork, Benjamin ; König, T. ; Weckermann, F. ; Lamanna, G. ; Dreizler, Andreas ; Weigand, Bernhard
Thermometry of evaporating acetone droplets in near-critical conditions by combined phosphorescence/fluorescence measurements
10th Intl. Conference series on Laser-Light and Interactions with Particles, Marseille, France, 2014

2013

B. Bork, F. Stritzke, F. Weckenmann, G. Lamanna, B. Weigand, A. Dreizler
Acetone Photophysics Investigations for the Application of PLIFP to Droplet Evaporation Measurements under Supercritical Conditions.
ILASS–Europe, 25th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Chania, Greece, 1-4 September, 2013

Oldenhof, E.; Weckenmann, F.; Lamanna, G.; Weigand, B.; Bork, B.; Dreizler, A.
Experimental investigation of isolated acetone droplets at ambient and near-critical conditions, injected in a nitrogen atmosphere.
Progress in Propulsion Physics 4 (2013), 257-270, (eds.: L.T. DeLuca, C. Bonnal, O. Haidn and S.M. Frolov), EDP Sciences, Torus Press

G. Lamanna, Kamoun, H., Arnold, K. Schlottke, B., Weigand, B., Steelant, J.
Differential infrared thermography (DIT) in a flashing jet: a feasibility study
QIRT J. 10(1) 2013, 112-131. DOI: 10.1080/17686733.2013.786903

Brübach, J., Pflitsch, C. Dreizler, A., Atakan, B.
On surface temperature measurements with thermographic phosphors
Prog. Energy Combust. Sci. 39 (2013), 37-60

2012

B. Bork, F. Weckenmann, G. Lamanna, B. Weigand, B. Böhm, A. Dreizler
Droplet studies at conditions near the critical point.
Spray 2012, Berlin, 21.-22. Mai 2012, 2012

2011

Weckenmann, F.; Bork, B.; Oldenhof, E.; Lamanna, G.; Weigand, B.; Böhm, B.; Dreizler, A.
Single Acetone Droplets at Supercritical Pressure: Droplet Generation and Characterization of PLIFP.
Zeitschrift für Physikalische Chemie, 225 (11-12) pp. 1417-1431, 2011

2006

G. Lamanna, H. Sun, M. Schüler, B. Weigand, D. Magatti, F. Ferri
Comparative study of equilibrium and non-equilibrium evaporation models for vaporizing droplet arrays at high pressure.
Advanced Combustion and Aerothermal Technologies: Environmental Protection and Pollution Reduction, Nick Syred (ed.), Springer Verlag, 2006

Freitag, November 15, 2019