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Zeitlich und räumlich aufgelöste Vermessung von Dichteänderungen in technischen Strömungen mittels Rayleigh-Streuung

Rausch, Anne

Diese Arbeit befasst sich mit dem Aufbau und der Nutzung eines optischen Messsystems, welches auf Rayleighstreuung basiert, zur zeitlich und räumlich aufgelösten Messung von Dichteschwankungen in technischen Strömungen. Nach einer Darstellung der wichtigsten aktuell verwendeten Messtechniken zur Bestimmung der Dichte, werden die theoretischen Grundlagen der Messtechnik erläutert. Dies beinhaltet eine Einführung in die Eigenschaften der Streuung, die Eigenschaften des Absorptionsspektrums von Iod und einer Beschreibung der verwendeten digitalen Filter und Auswertemethodik. Im Anschluss wird der prinzipielle Versuchsaufbau erläutert. Die verwendeten Laser mit dem jeweiligen Regelkreis zur Frequenzstabilisierung und die beiden Detektoraufbauten, basierend auf einer Kamera (EMCCD) und Photomultiplier werden vorgestellt. Die messtechnischen Eigenschaften des Aufbaus, also systematischer Fehler, Messunsicherheit, Sensitivität und der Einfluss des verwendeten optischen Filters (Iodzelle) wurden experimentell ermittelt. Zu diesem Zweck wurden unter anderem die ersten Messungen von akustischen Dichteschwankungen mittels Rayleighstreuung durchgeführt. Die Dichteschwingung im Nachlauf einer Freiflamme konnte vermessen werden. Amplitude, Phase, Mittelwert und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Dichteänderung wurden bestimmt. In der Austrittsdüse einer Brennkammer konnten erstmals mittels Rayleighstreuung Dichteschwingungen vermessen werden. Auftretende Frequenzen und die räumliche Struktur der Dichteänderung in der Düse wurden ermittelt. Dichteänderungen, welche durch das Geschwindigkeitsfeld einer Wirbelstruktur hervorgerufen worden, konnten ebenfalls vermessen werden. Dadurch wurde gezeigt, dass die Messtechnik nicht nur bei allen periodischen und nicht nur bei harmonischen Dichteschwankungen anwendbar ist. In dieser Arbeit entstand somit ein transportables, optisches Messsystem, dass in der Lage ist, einzigartige Daten über die Dichte in technischen Strömungen zu liefern und damit entscheidend zum Verständnis der Vorgänge in Turbomaschinen beizutragen.
This PHD-thesis presents the development and application of an optical measurement system based on Rayleigh-Scattering, to determine density fluctuations in technical flows temporally and spatially resolved. A summary of the most common measurement techniques determining density is given. The theoretical basics of the properties of scattering, the absorption spectrum of iodine cells, used digital filters and analysis methods are described. The principal design of the setup is described as well as the used devices. The design of frequency stabilisation of the different types of used lasers and both kinds of optical detector setups, one based on a camera (EMCCD) the other on a photomultiplier, are explained. Systematical errors, sensitivity, standard deviation and metrological properties of the optical filter (iodine cell) were determined by experiments. To analyse sensitivity limits the first measurements of acoustical density oscillations by Rayleigh-Scattering were conducted. The density oscillations of a free flame were characterised by measuring amplitude, phase and mean of the oscillation. It was possible to calculate the velocity of the density changes. The density oscillations in the outlet nozzle of a combustion chamber test rig were measured for the first time to my knowledge. Frequencies and the temporal and spatial structure of the density distribution in the nozzle were investigated. Density changes caused by the velocity of an vortex structure were also analysed. This shows, that the measurement technique is also applicable to investigate periodical but non harmonic density fluctuations. Summarizing, this thesis describes the development of an optical system able to provide unique measurement data of the fluid mechanical conditions in turbo machines.