Heinisch, Christian (2008)
Optische Messtechnik für umströmte Tropfen in einer neuen elektrodynamischen Falle.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Umströmte Tropfen in Form von Sprays und Aerosolen spielen eine wichtige Rolle in unserer Umwelt und in technischen Prozessen, zum Beispiel in unserer Atmosphäre, in Verbrennungsmotoren, in Sprühtrocknern oder bei der Anwendung von Pflanzenschutzmitteln. In diesen Bereichen sind zum einen detaillierte Kenntnisse über das Verhalten einzelner Tropfen von entscheidendem Vorteil, um Modelle zu verfeinern. Zum anderen sind optische Messtechniken für Tropfen in Sprays zur Diagnose unabdingbar. Zu beiden Punkten liefert die vorliegende Arbeit wichtige Beiträge. In Kapitel 2 wird eine neue Elektrodengeometrie vorgestellt, die aus vier röhrenförmigen Elektroden besteht. Sie bietet einen optischen Zugang von 360 Grad in der horizontalen Ebene und 36 Grad senkrecht dazu. Das erlaubt, verschiedene optische Messtechniken flexibel zu kombinieren und Lichtstreuung in einem großen Winkelbereich zu beobachten. Im Vergleich zu Ringelektroden bietet die neue Falle unter vergleichbaren Bedingungen höhere Tropfenstabilität, im Vergleich zu anderen bisher bekannten Geometrien bietet sie einen größeren optischen Zugang. In Kapitel 3 wird beschrieben, wie verschiedene bekannte optische Messtechniken mit der neuen Falle kombiniert werden. Dabei werden Tropfengrößen, Brechungsindizes, Konzentrationen und Dichten, Reibungskräfte und Gasgeschwindigkeiten bestimmt. Da die Messungen berührungslos sind, bleiben Wärme- und Stofftransport ungestört von Wandkontakten. Die darauf folgenden Kapitel stellen neue optische Messtechniken und neue Anwendungen mit der elektrodynamischen Falle vor: Kapitel 4 zeigt, wie erstmalig experimentell das Verschwinden von Strukturresonanzen in Wassertropfen von etwa 50 Mikrometer Durchmesser bei der Beleuchtung mit Femtosekunden-Pulsen nachgewiesen wird. Dies dient der Entwicklung einer neuen intensitätsbasierten Messtechnik für Sprays. Kapitel 5 zeigt, wie einzelne Wassertropfen von 50 Mikrometer Durchmesser mit einem kugelförmigen Lufteinschluss zum ersten Mal gefangen werden. Die winkelabhängige Aufnahme des Streulichts liefert experimentelle Daten zur Überprüfung einer bestehenden Theorie. Der große optische Zugang der Falle erlaubt es, das Streulicht in einem Bereich von über 120 Grad aufzunehmen. Außerdem wird das zeitabhängige Streulicht verwendet, um den Durchmesser des Tropfens und des Einschlusses sowie die Position des Einschlusses mit einer Messunsicherheit von +/- 1,5 Mikrometer zu bestimmen. Beobachtete Glanzpunkte stimmen gut mit Vorhersagen überein. In Kapitel 6 wird die Messung des Stofftransports (Sherwood-Zahl) von kugelförmigen Tropfen bei Reynolds-Zahlen um 1 und bei einer Schmidt-Zahl von 0,64 vorgestellt. Gegenüber bisherigen Arbeiten zeichnen sich die eigenen Messungen durch eine geringere Messunsicherheit und durch die hohe Zahl von 700 untersuchten Tropfen aus. Diese Ergebnisse tragen zur Weiterentwicklung von Modellen in den genannten Anwendungen bei. Kapitel 7 zeigt, wie diese Messung mit einer Temperaturmessung kombiniert wird, die auf spontaner Raman-Streuung beruht. Unter den Untersuchungen zum Einfluss einer Strömung auf die Verdampfung von Einzeltropfen ist sie die erste, bei der Tropfentemperaturen berührungslos gemessen werden. Im Rahmen der Messunsicherheit von +/- 4 K werden damit die Temperaturberechnungen des vorhergehenden Kapitels überprüft. Diese Experimente zeigen, dass mit der neuen elektrodynamischen Falle ein leistungsfähiges Instrument für die Untersuchung einzelner Tropfen bereit steht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können einen wichtigen Beitrag zu Innovationen für Industrie, Landwirtschaft und Umwelt leisten.

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