Mikroskopische Analyse des Zerfalls motorischer Sprühstrahlen

  • Microscopic analysis of atomization of engine sprays

Reddemann, Manuel Armin; Kneer, Reinhold (Thesis advisor); Fritsching, Udo (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Die Gestalt eines Flüssigkeitsstrahls wird maßgeblich vom düsennahen Primärzerfall in Ligamente und Tropfen bestimmt. Insbesondere für feinskalige und hochturbulente motorische Sprühstrahlen ist diese Zerstäubung bis zum heutigen Tag nur unzureichend verstanden. Ein Grund für diesen Umstand ist die schlechte optische Zugänglichkeit der düsennah ablaufenden Prozesse. Denn primäre flüssige Strukturen erreichen eine minimale Größe in der Größenordnung von sichtbarem Licht, bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit fort und treten in großer Anzahl in Erscheinung. Eine visuelle Untersuchung wird somit stets durch Beugungseffekte, Bewegungsunschärfe und Mehrfachstreuung limitiert. Aus diesem Grund wird eine Strahlcharakterisierung meist anhand makroskopischer Parameter vorgenommen. Auch diese Arbeit beginnt mit einer makroskopischen Charakterisierung unter Zuhilfenahme einer Hochgeschwindigkeits-Streulichtvisualisierung. Dabei wird eine Parametervariation mittels einer großen Bandbreite unterschiedlicher Fluide mit stark abweichenden Stoffeigenschaften vorgenommen. Unterschiedliche empirische Korrelationen zur Vorhersage des Kegelwinkels werden hergeleitet und in einem vorhandenen analytischen Modell zur Vorhersage der Eindringtiefe bewertet. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen erfolgt im weiteren Verlauf die Analyse des düsennahen Zerfalls. Um den genannten Herausforderungen bei einer solchen Untersuchung Rechnung zu tragen, wird im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige mikroskopische Methode entwickelt und angewendet, die sogenannte „Doppelpuls-Durchlichtmikroskopie“. Diese Methode erlaubt eine visuelle Bestimmung der Größe, Form und Geschwindigkeit primärer Strahlstrukturen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung für motorrelevante Einspritzbedingungen und Umgebungsdrücke. Die Methode wird mit der „Laser Correlation Velocimetry“ kombiniert, die die Vermessung radialer Profile der Axialgeschwindigkeit ermöglicht. Auf Basis beider Methoden wird eine detaillierte kennzahlbasierte Charakterisierung des inneren Strahlkerns, der Filmstrukturen, der Ligamente und der Tropfen für atmosphärische Bedingungen und motorrelevante Umgebungsgasdichten vorgenommen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für eine Bewertung des Einflusses von Scherungseffekten, Dämpfungseffekten und der Austrittsströmung auf den Zerfall eines motorischen Sprühstrahls.

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