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Development of novel Particle Image Thermometry methods for highly resolved measurements of temperature and velocity fields in fluids

Vogt, Jan :
Development of novel Particle Image Thermometry methods for highly resolved measurements of temperature and velocity fields in fluids.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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2014_01_08_Dissertation_Vogt.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Development of novel Particle Image Thermometry methods for highly resolved measurements of temperature and velocity fields in fluids
Language: English
Abstract:

The subject of present thesis is the development of a technique for simultaneous measurement of temperature and velocity fields in liquids based on the luminescence of particles. This technique is intended to be used for the experimental investigation of transient phase change phenomena like nucleate boiling that takes place on a small spatial scale. For that reason, the main requirement for the developed technique is the ability for temporally and spatially highly resolving measurements. Existing methods either do not offer such high resolution or do not facilitate simultaneous temperature and velocity measurements. Two different approaches for particle-based temperature measurements are presented, one using microcapsules with a temperature-sensitive dye solution in the core and the other using particles fabricated from dyed polymers. The developed microcapsules have a fluorescence characteristic that enables the implementation of a 2-colour-LIF procedure. Fluorescence is excited using a laser with a wavelength of 532 nm and the resulting signals (temperature-sensitive signal and reference signal) are detected by two separate high-speed cameras with appropriate filters. While the brightness of the particles in the images of both cameras serves as temperature indicator, velocity information is extracted from subsequent images of a single camera by means of the PIV method. The applicability of this technique for highly resolved measurements is shown for light-sheet and volume illumination. Therefore, experimental results from a stationary flow driven by natural convection and a flow through a capillary tube driven by a pressure difference are compared to the respective numerical solution of these flows. Moreover, the technique is characterized with regard to accuracy and possible sources of error. The dyed polymers on the contrary, are only investigated with regard to their general applicability for temperature measurements. Laser induced fluorescence with dyes dissolved in acetone is used to measure the temperature field around a growing vapour bubble and the suitability of optical methods for this future application is analyzed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Verfahrens für die simultane Messung von Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern in Flüssigkeiten, basierend auf lumineszierenden Partikeln. Dieses Verfahren soll für die experimentelle Untersuchung transienter Phasenwechselvorgänge, wie etwa dem Blasensieden, die sich auf kleinen räumlichen Skalen abspielen, eingesetzt werden. Somit ist eine Hauptanforderung an die entwickelte Messtechnik ein hohes räumliches und zeitliches Auflösungsvermögen. Bestehende Methoden bieten entweder keine entsprechend hohe Auflösung oder ermöglichen keine simultane Messung von Temperatur und Geschwindigkeit. Zwei unterschiedliche Ansätze für die partikelbasierte Messung von Temperaturen werden vorgestellt. Für den ersten Ansatz werden Mikrokapseln genutzt, deren Kern aus einer Flüssigkeit besteht, in der ein temperatursensitiver Farbstoff gelöst wurde. Der zweite basiert auf der temperaturabhängigen Fluoreszenz eines Farbstoffgemisches, das direkt in ein Polymer eingebracht wurde. Die Fluoreszenzeigenschaften der entwickelten Mikrokapseln ermöglichen die Anwendung eines 2-Farb-LIF Messverfahrens. Die Anregung der Fluoreszenz erfolgt mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 532 nm und die resultierenden Signale (temperaturabhängiges Signal und Referenzsignal) werden getrennt erfasst mittels zweier Hochgeschwindigkeitskameras und entsprechender optischer Filter. Dabei dient die Helligkeit der Partikel in den Bildern der beiden Kameras als Messgröße für die Temperatur. Die Geschwindigkeit ergibt sich aus aufeinanderfolgenden Bildern einer einzelnen Kamera durch Anwendung des PIV Verfahrens. Die Anwendbarkeit dieser Technik für hochauflösende Messungen wird sowohl für Aufbauten in denen die Beleuchtung durch einen Lichtschnitt erfolgt, als auch für solche mit Volumenbeleuchtung dargestellt. Zu diesem Zweck werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung einer natürlichen Konvektionsströmung und einer druckgetriebenen Strömung innerhalb eines Kapillarröhrchens, mit dem Resultat einer entsprechenden numerischen Simulation verglichen. Weiterhin wird das entwickelte Messverfahren hinsichtlich Genauigkeit und möglicher Fehlerquellen charakterisiert. Die mit temperatur-sensitiven Farbstoffen eingefärbten Polymere werden hingegen nur auf ihre generelle Anwendbarkeit für Temperaturmessungen untersucht. Das Temperaturfeld um eine wachsende Dampfblase wird mittels laserinduzierter Fluoreszenz eines in Aceton gelösten, temperatursensitiven Farbstoffgemisches gemessen, womit auch die generelle Eignung optischer Messmethoden für diese zukünftige Anwendung analysiert wird.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: LIF Mikroverkapselung Temperatur Messung Partikel
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
LIF Microencapsulation Temperature Measurement ParticleEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 21 Jan 2014 09:24
Last Modified: 21 Jan 2014 09:24
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36966
Referees: Stephan, Prof. Peter and Tropea, Prof. Cameron
Refereed: 11 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3696
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