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Non-invasive thermometry and wake mixture fraction determination of evaporating droplets at elevated pressures using laser spectroscopy

Preusche, Andreas (2021):
Non-invasive thermometry and wake mixture fraction determination of evaporating droplets at elevated pressures using laser spectroscopy. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00019515,
[Ph.D. Thesis]

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Dissertation A_Preusche 2021.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Non-invasive thermometry and wake mixture fraction determination of evaporating droplets at elevated pressures using laser spectroscopy
Language: English
Abstract:

In order to improve the modeling and understanding of evaporation and mixing phenomena at elevated pressures, experimental data are needed for comparison and validation. In this work, the evaporation of free falling droplets in such conditions is studied experimentally. A pressure vessel with optical access is used to inject liquid acetone and heptane into pressurized nitrogen and carbon dioxide atmospheres. A temperature controlled injector then forms droplets that detach either freely or with the help of electrostatic charge.

First, laser induced fluorescence and phosphorescence (LIFP) of acetone is used to noninvasively measure the average temperature of the acetone droplets during their fall. An ultra-violet dye laser setup for emission at 320nm is build to excite the liquid acetone and the resulting fluorescence and phosphorescence emissions are recorded. Using a ratio metric approach, the total emission as well as the separated phosphorescence alone are used to characterize their temperature dependence for pressures 2, 4 and 6 MPa and temperatures of 393 K to 508 K. The signal separation is realized in the time domain using a time gated image intensifier. The results of this characterization show a significant non-linear influence of the emission. The reason for this is the saturation of the acetone phosphorescence, even for laser energy densities less than 1 mJ/cm^2. This is successfully mitigated by including an excitation energy dependence in the calibration, which is shown to be pressure independent for the three characterized pressures. Subsequently, free falling droplets of acetone in nitrogen atmosphere are measured using this technique to determine their average temperature. Atmosphere temperatures ranged from 433 K to 513 K and injection temperatures ranged from 433 K to 503 K. Two different fall heights, 12 mm and 23 mm from the injection capillary, as well as the detachment frequencies 1 Hz and 2 Hz are investigated. The temperature results are put into context with previous measurement campaigns. Using density estimates from measured mixture fractions, an equation of state translation into equivalent temperatures is used to indirectly approximate the liquid phase temperature. The results show good agreement between the two methods.

The second campaign in this work aims to determine the mixture fraction in the wakes of evaporating acetone and heptane droplets in carbon dioxide atmosphere with Raman imaging. The experimental setup is adapted to accommodate this inert gas, and 2D Raman scattering characterization and measurements are carried out. A 532nm laser source is used to produce a laser sheet above the droplets, which interrogates the mixing wake during their fall. Due to the strong spectral overlap of the Raman responses, the temperature and pressure dependence of this method are characterized. The characterization shows a pressure dependence, so the method is adapted before being used to measure the wake mixture fractions. The results are compared to previous campaigns using nitrogen atmosphere in matching conditions. They show that the carbon dioxide atmosphere increases diffusion of acetone in to the vapor mixture compared to nitrogen while the heptane droplet wakes mix similarly between the two inert gases. Pressures of 2 MPa and 4 MPa, as well as combinations of atmosphere temperatures from 393 K to 533 K and injector temperatures of 393 K to 493 K are measured for a fall height of 19 mm at 2 Hz droplet detachment.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Um die Modellierung und das Verständnis von Verdampfungs- und Mischungsphänomenen bei höheren Drücken zu verbessern sind oft experimentelle Daten von Nöten, mit denen verglichen und validiert werden kann. In dieser Arbeit wird die Verdampfung von frei fallenden Tropfen unter solchen Bedingungen experimentell untersucht. Ein Druckbehälter mit optischem Zugang wird dafür verwendet flüssiges Aceton und Heptan in Stickstoff- und Kohlendioxidatmosphären zu injizieren. Ein temperierter Injektor erzeugt Tropfen, die entweder frei abtropfen oder mit Hilfe elektrostatischer Ladung abgelöst werden.

Zuerst wird die Laser induzierte Fluoreszenz und Phosphoreszenz (LIFP) von Aceton verwendet um die mittlere Temperatur der frei fallenden Acetontropfen zu bestimmen. Ein ultra-violett Farbstofflaser Aufbau wird realisiert, um das Aceton bei 320nm anzuregen und die dadurch entstehende Fluoreszenz und Phosphoreszenz aufzunehmen. Ein ratiometrischer Ansatz wird benutzt, um die komplette Emission sowie nur die getrennt aufgenommene Phosphoreszenz auszuwerten. Damit wird die Temperaturabhängigkeit der Signale für Drücke von 2,4 und 6 MPa bei Temperaturen von 393 K bis 508 K bestimmt. Die Unterscheidung von Fluoreszenz und Phosphoreszenz wird dabei zeitlich mit einem Bildverstärker realisiert. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Nichtlinearität abhängig von der einstrahlenden Anregungsenergiedichte, sogar für geringe Energiedichten unter 1 mJ/cm^2. Dieser Einfluss konnte durch Einbeziehung der Energiedichte in der Kalibrierung jedoch deutlich verringert werden. Die Kalibrierung zeigt, dass die gemessenen Drücke keinen messbaren Einfluss auf die Signalverhältnisse haben. Danach werden frei fallende Acetontropfen in Stickstoffatmosphäre mit dieser Methode untersucht um ihre mittlere Temperatur zu bestimmen. Die Atmosphäre besitzt dabei Temperaturen von 433 bis 513 K, während der Injektor von 433 K bis 503 K betrieben wird. Zwei verschiedene Fallhöhen, 12mm und 23mm von der Injektorkapillare, sowie zwei verschiedene Abtropffrequenzen, 1 Hz und 2 Hz, werden gemessen. Die Temperaturergebnisse werden mit vorherigen Messkampagnen verglichen, für die eine auf der Dichte basierende Umrechnung von Mischungsbrüchen zu Temperaturen mit Hilfe einer Zustandsgleichung benutzt wird, um indirekt eine Temperatur zu bestimmen. Die beiden Methoden zeigen eine gute Übereinstimmung.

In einer zweiten Messkampagne wird der Mischungsbruch der Nachläufe von frei fallenden Aceton- und Heptantropfen in einer Kohlendioxidatmosphäre zweidimensional untersucht. Der experimentelle Aufbau wird für das neue Inertgas angepasst und Messungen und Charakterisierungen der 2D Ramanstreuung Methode werden durchgeführt. Eine 532nm Laserquelle wird benutzt um ein Lichtschnitt über den Tropfen zu erzeugen, mit dem der Nachlauf während des Falls untersucht wird. Durch die ausgeprägte spektrale Überlappung der Ramanstreuung der involvierten Stoffe, wird zuerst die Temperatur und Druckabhängigkeit der Methode untersucht. Da eine messbare Druckabhängigkeit vorliegt, wird die Auswertung angepasst um diese zu berücksichtigen. Die Ergebnisse werden mit vorherigen Kampagnen in einer Stickstoffatmosphäre verglichen. Dabei wird ersichtlich, dass Kohlendioxid die Diffusion von Aceton in die Gasphase stark fördert, während bei Heptan keine signifikanten Differenzen zur Mischung mit Stickstoff feststellbar sind. Die Messungen werden mit 2 MPa und 4 MPa, Kombinationen der Atmosphärentemperaturen von 393 K bis 533 K und Injektortemperaturen von 393 K bis 493 K bei einer Fallhöhe von 19mm und Tropfenrate von 2 Hz untersucht.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XV, 118, X Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 06 Oct 2021 07:32
Last Modified: 06 Oct 2021 07:33
DOI: 10.26083/tuprints-00019515
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-195150
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas ; Weigand, Prof. Dr. Bernhard
Refereed: 22 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19515
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