Dreidimensionale Visualisierung von Wirbelstrukturen bei der turbulenten Vermischung mit Hilfe von PIV und LIF

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Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll für die Analyse von Mischprozessen ein dreidimensionales, bildgebendes Messverfahren auf der Basis von PIV (Particle-Image-Velocimetry) und LIF (Laser-Induzierte Fluoreszenz) entwickelt werden. Als grundlegende Mischerkonfigurationen sollen eine Scherschicht und ein Strahlmischer betrachtet werden. Aus den zeitgleich in mehreren Messebenen ermittelten Geschwindigkeitsfeldern soll die Struktur von turbulenten Wirbeln im Hinblick auf Größe und Intensität quantitativ ermittelt werden. Dazu wird ein optisches System mit drei CCD-Kameras entwickelt und aufgebaut, mit dem dann bis zu drei hintereinander liegende Abbildungsebenen in einem dicken gepulsten Lichtschnitt aufgezeichnet werden können. Zur scharfen Abbildung der drei Ebenen auf die jeweilige CCD-Kamera werden Objektive mit großer Öffnung und somit geringer Tiefenschärfe verwendet. Damit in den jeweiligen Abbildungsebenen nur die scharf abgebildeten Tracer-Partikel registriert werden, sollen spezielle Filter Anwendung finden, welche den Gradienten der Graustufen nutzen. Die Genauigkeit der PIV-Auswertung wird durch hybride Auswerteverfahren und die Verwendung eines Mehrgitteralgorithmus erhöht. Zur Identifizierung und Quantifizierung der Wirbelstrukturen werden Größen wie zum Beispiel die Rotation, die Drallintensität sowie Parameter aus der Kombination von Rotation und Streckungsrate herangezogen. Weiterhin soll die Vermischung innerhalb der turbulenten Wirbel durch ein LIF-Verfahren unter Verwendung von fluoreszierenden und nicht-fluoreszierenden Tracern visualisiert und das Ergebnis mit den Geschwindigkeitsfeldern korreliert werden, um die für die Makromischung relevanten Wirbelgrößen zu identifizieren.