Highspeed-Lasersystem zur Untersuchung turbulenter Verbrennungs- und Partikelbildungsprozesse
Final Report Abstract
Das Großgerät wird im Rahmen der Verbrennungsdiagnostik eingesetzt, um Untersuchungen schnell ablaufender Verbrennungsprozesse zyklisch aufgelöst darzustellen. Die hohe Wiederholrate des Systems erlaubt eine zeitlich hoch aufgelöste Erfassung von Verbrennungsvorgängen, mit besonderem Fokus auf die Gemischbildung, die Temperaturverteilung, Zündung und Flammenausbreitung sowie die Schadstoffbildung, v.a. auch für die Charakterisierung von Partikelbildungsprozessen. Das Burst- Lasersystem ermöglicht hohe Pulsenergien bei hohen Wiederholraten, welche von üblichen High-Speed- Systemen nicht erreicht werden. Das System wurde und wird an den Einspritzkammern, (Hochdruck- )brennern, Motoren und an der Rapid Compression Machine (RCM) des Lehrstuhls eingesetzt. In ersten Arbeiten wurde das Lasersystem zur Untersuchung der Gemischbildung unter motorischen Bedingungen in einer RCM verwendet, wobei die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) mit dem Spurstoff 1-Methylnaphthalin zum Einsatz kommt. Mit diesem Verfahren können die Mischungstemperatur und die Kraftstoffkonzentration bzw. das Äquivalenzverhältnis bestimmt werden. Erstmals war es durch den Einsatz des neuartigen Lasersystems möglich, die Temperatur und die Kraftstoffverteilung unter motorischen Bedingungen bei einer Aufnahmefrequenz im Kilohertzbereich (kHz) zu bestimmen. Die Einzelschuss-Aufnahmen ermöglichen die Untersuchung der zyklischen Schwankungen und die Auflösung großer lokaler Konzentrations- und Temperaturgradienten. In einer weiteren Untersuchung wurde eine technische Flamme für die Nanopartikelsynthese charakterisiert. Für die Partikelbildung ist vor allem die Zone der Wärmefreisetzung relevant, dabei ist die Interaktion des turbulenten Strömungsfeldes mit der Flamme noch nicht genau verstanden. Hierzu wurden die Flammenfrontdicke und –krümmung zeitaufgelöst bestimmt. Zur Bestimmung der primären Wärmefreisetzung wurde die Verteilung des Hydroxyl-Radikals (OH) und des Formaldehyd-Moleküls (CH2O) mittels planarer LIF herangezogen. Es wird ein speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen hergestellter Farbstofflaser durch einen im Burst-Modus betriebenen Nd:YAG Laser gepumpt, um eine Wellenlänge von 283 nm zu erzeugen. Für die simultane Anregung von CH2O ist eine Frequenzverdreifachung des Nd:YAG Lasers nötig. Durch den Burst-Modus werden hohe Frequenzen bei gleichzeitig hohen Einzelpulsenergien ermöglicht (z.B. 283 nm: ~2.2 mJ/Puls, 355 nm: >100 mJ/Puls bei 7.5 kHz). Mit einer bildverstärkten CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera in Kombination mit einem Image-Doubler werden die LIF-Signale simultan erfasst. Es wurde die zeitliche lokale Änderung der Flammenfrontdicke herausgearbeitet sowie Zonen der Entflammung und Flammenlöschung erfasst, welche wiederum die Nanopartikelbildung steuern.
Publications
- "Burst mode OH/CH2O planar laser-induced fluorescence imaging of the heat release zone in an unsteady flame", Optics Express Vol. 26, 2018, p. 18105
U. Retzer, R. Pan, T. Werblinski, F.T.J. Huber, M.N. Slipchenko, T.R. Meyer, L. Zigan, S. Will
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.26.018105) - "Generation of highenergy, kHz-rate narrowband tunable ultraviolet pulses using a burst-mode dye laser system", Optics Letters Vol. 43, 2018, p. 1191
R. Pan, U. Retzer, T. Werblinski, M. Slipchenko, T.R. Meyer, L. Zigan, S. Will
(See online at https://doi.org/10.1364/OL.43.001191) - ”1-methylnaphthalene LIF for the investigation of the mixture formation at diesel engine conditions and kHz repetition rates”, Proceedings of the European Combustion Meeting, 2019
U. Retzer, S. Will, L. Zigan
