A laser-induced fluorescence technique for temperature imaging of micro-droplets avoiding morphology dependent resonances

  • Eine Laser-induzierte Fluoreszenzmethode für die bildgebende Temperaturmessung von Mikrotropfen ohne Einflüsse optischer Resonanzen

Palmer, Johannes; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); Beyrau, Frank (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Diese Dissertation stellt eine neue Laser-optische Methode zur Temperaturbestimmung von Tropfen und Sprays vor, die sogar im Falle von optischen Resonanzen anwendbar ist. Die Methode wird als „pulsed Laser-Induced Fluorescence thermometry with Enhanced Energy Transfer“ (LIF-EET) bezeichnet und basiert auf konventioneller LIF-Thermometrie. Hauptmerkmal ist eine bildgebende Messung ohne Bewegungsunschärfe, was eine gleichzeitige räumliche Bestimmung von Temperatur und Größe ermöglicht. Die Entwicklung der neuen Methode erfolgt schrittweise durch Experimente an Tropfenketten, wobei die Fluorophore Pyrromethene 597-8C9 (PM597) und Oil Blue N (OBN) eingesetzt werden. PM597 dient zur Temperaturbestimmung. Nach Anregung durch einen Laser emittiert der Tracer ein temperaturabhängiges Fluoreszenzsignal. Dieses wird von zwei Detektoren gemessen, die in Wellenlängenbereichen mit unterschiedlichen Temperaturempfindlichkeiten betrieben werden. Die Auswertung des Signalverhältnisses erlaubt eine Temperaturbestimmung ohne negative Einwirkungen schwankender Parameter. Im Gegensatz zur herkömmlichem LIF-Thermometrie wird ein gepulster Laser verwendet. Die kurzen Pulse verhindern Bewegungsunschärfe, erzeugen aber aufgrund ihrer hohen Energiedichte schädliche optische Resonanzen der Fluoreszenz („Lasing“). Das Lasing kann durch die Zugabe von OBN jedoch gesteuert werden. Die Tracerkombination aktiviert einen Energietransfer, der das Lasing von PM597 auf OBN überträgt und eine spektrale Rotverschiebung ermöglicht. Infolgedessen wird das Emissionsspektrum von PM597 wieder für eine verlässliche Temperaturmessung zugänglich. Die Besonderheit des Verfahrens ist die räumliche Abhängigkeit des Energietransfers, der im Lasingbereich an der Tropfenoberfläche besonders effizient ist. Der Mechanismus wird als „Enhanced Energy Transfer“ bezeichnet. Die wissenschaftliche Leistung dieser Arbeit geht weit über die Implementierung der neuen Methode hinaus, da jedes durchgeführte Experiment physikalische Details über die zu Grunde liegenden Mechanismen aufdeckt. Die Praktikabilität von „pulsed LIF-EET thermometry“ wird in dieser Arbeit durch zwei reale Anwendungen veranschaulicht: i) Ein wissenschaftlich relevantes Tropfenkettenexperiment unter Verdunstungsbedingungen und ii) die Sprühstrahl- und Gemischbildung eines Hohlkegelsprays unter motorähnlichen Bedingungen.

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