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Thermographic PIV for Turbulent Flux Measurement

Lee, Hyunchang :
Thermographic PIV for Turbulent Flux Measurement.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Thermographic PIV for Turbulent Flux Measurement
Language: English
Abstract:

To comprehend the role of turbulence in heat and mass transport of the flows applied to modern engineering systems, a measurement technique for turbulence is needed. Thermographic particle image velocimetry (PIV), one of laser diagnostics for simultaneous measurement of velocity and temperature, has been rose as promising for this purpose, recently. The technique uses luminous phosphor particles as PIV tracer that serve for temperature measurements as well. In this study, the technique has been further developed and validated. First, to extend the applicable temperature range, eight prospective phosphors as thermographic PIV tracer have been investigated in an optically accessible oven. A theoretical model, which considers the propagation of camera errors, has been used to predict the temperature precision of each phosphor based on the measured spectra in the oven and the signal measured from aerosolized particles in air of a reference phosphor. Furthermore, by using the theoretical model, an optimized filter set for a phosphor could be selected. Through this investigation, SRMG and BAM:EuMn have been recognized as useful tracers in the intermediate temperature range of 300 – 600 K. Although YAG:Dy showed weak intensity in the low temperature range, its delayed thermal quenching and the temperature sensitivity at high temperature make the phosphor most promising one for the high temperature application. BAM has been selected as the tracer of this study for its high performance in the wide temperature range upto 800 K. Three potential sources of bias of the thermometry have been pointed out: the effect of laser fluence, the multiply scattered phosphorescence originating from the cold flow on the high temperature flow, and possible preferential absorption of phosphorescence. A power scan has been performed in the measurement of spectra from packed powder in the oven and also in the measurements of intensity ratio from individualized particles in air to investigate the effect of laser fluence. Increasing laser fluence resulted in a shift of spectra to the UV regime and the increasing intensity ratio. Varying crystal field according to the increased number of excited activators has been suggested as the possible reason for the shift of the BAM spectra. To avoid a bias by this effect, a homogenized beam by using only the center part of the beam has been applied in this study. For the multiply scattered phosphorescence from the cold flow, the images with seeding density ratio of the hot and cold flow larger than two have been selected for further processing. Here, a particle locating algorithm has been applied to count the number of particles. By seeding the non-absorbing MgO particles instead of BAM in the cold flow, the potential preferential absorption has been suggested, but could not be confirmed for the remaining multiple scattering effect. The application of the thermographic PIV to near- and transitional fields of heated round jet (x=1~15 d) enabled the verification of the measurement technique by comparing with previous results. The axial and radial profiles of mean, rms of velocity and temperature, the integral length scales, the Reynolds shear stress and scalar flux demonstrated good agreements. Based on the eddy viscosity and gradient diffusion model, the turbulent viscosity, turbulent heat diffusivity and the turbulent Prandtl number have been extracted and compared with the previous works.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Um den Einfluss von Turbulenz auf den Wärme- und Stofftransport in Strömungen zu erfassen, die in Applikationen des modernen Maschinenbaus Anwendung finden, bedarf es einer Messtechnik , die in der Lage ist Turbulenz zu erfassen. Die Thermographische Particle Image Velocimetry (PIV) ist eine Methode um Geschwindigkeiten und Temperaturen simultan zu messen und gilt als vielversprechend für diesen Zweck. Diese Technik verwendet Phosphor-Partikeln als PIV-Tracer, welche zugleich zur Temperaturmessung dienen. Bei der hier vorliegenden Arbeit wurde diese Messtechnik weiterentwickelt und validiert. Um den anwendbaren Temperaturbereich auszuweiten, wurden zunächst acht vielversprechende Phosphore in einem optisch zugänglichen Ofen untersucht. Es wurde ein theoretisches Modell entwickelt welches die Fortpflanzung von Kamerafehlern berücksichtigt, um so eine Temperaturpräzision der jeweiligen Phosphore angeben zu können. Dieses Modell basiert auf Spektrenmessungen im Ofen sowie auf dem Signal eines Referenz-Phosphors in der Gasphase. Des Weitern konnte durch die Anwendung des theoretischen Modells ein optimiertes Filterset für ein jeweiliges Phosphor ausgewählt werden. Durch diese Untersuchung wurden SRMG und BAM:EuMn als erfolgversprechende Tracer im mittleren Temperaturbereich zwischen 300 und 600 K identifiziert. Wenngleich YAG:Dy ein schwaches Signal im unteren Temperaturbereich aufwies, ließen das verzögerte thermische Quenchen sowie die Sensitivität bei hohen Temperaturen diesen Phosphor als am vielversprechendsten für Hochtemperaturanwendungen erscheinen. Schließlich wurde BAM:Eu als Tracer für diese Studie ausgewählt, da es eine hohe Leistungsfähigkeit in einem weiten Temperaturbereich bis zu 800 K besitzt. Drei mögliche Quellen systematischen Fehlers wurden für die Thermometrie gefunden: Der Einfluss der Laserfluenz, der Einfluss von Mehrfachstreuung der Phosphoreszenz aus kalten Strömungen in eine heiße Strömung und die mögliche präferenzielle Absorption der Phosphoreszenz. Eine Variation der Laserenergie wurde während der Messungen der Spektren im Ofen durchgeführt, sowie die Messung des Intensitätsverhältnisses von einzelnen Partikeln in der Gasphase vorgenommen, um den Einfluss der Laserfluenz zu untersuchen. Durch die steigende Laserfluenz resultierte eine Verschiebung der Spektren in Richtung des ultravioletten Bereiches sowie eine Vergrößerung des Intensitätsverhältnisses. Die Verschiebung des Kristallfeldes aufgrund der zunehmenden Anzahl angeregter Aktivatoren wurde als mögliche Begründung für die Verlagerung des Spektrums von BAM identifiziert. Um den systematischen Fehler aus diesem Effekt zu vermeiden, wurde im Rahmen dieser Studie ein homogenisiertes Strahlprofil verwendet, welches durch ausschließliche Verwendung des inneren Teils des Laserstrahls erzeugt wurde. Der Effekt der Mehrfachstreuung aus der kalten Strömung wurde versucht zu minimieren, indem nur Aufnahmen ausgewählt wurden in denen das Verhältnis der Partikeldichte der heißen zur kalten Strömungen zueinander größer als zwei war. Dabei kam ein Algorithmus zur Anwendung welcher die Anzahl der Partikeln in jeder Aufnahme zählte. Durch das Einbringen von MgO, welches nicht absorbiert, anstatt von BAM in die kalte Strömung wurde die potentielle präferenzielle Absorption überprüft, aber konnte aufgrund der restlichen Einflüsse durch Mehrfachstreuung nicht bestätigt werden. Die Anwendung von thermographischer PIV im Nah- und Übergangsfeld an einem runden Jet (x=1-15d), der beheizt wurde, ermöglichte eine Verifikation der Messtechnik durch den Vergleich zu vorherigen Ergebnissen. Die axialen und radialen Mittelwerte und Schwankungsgrößen der Geschwindigkeits- und Temperaturprofile, die Integralen Längenskalen, die Reynoldsschen Schubspannungen und Skalaren Flüsse zeigten gute Übereinstimmungen. Basierend auf den Eddy-Viscosity-Modell und dem Gradientenflussansatz wurde die turbulente Viskosität, die turbulente Wärmeleitfähigkeit und die turbulente Prandtlzahl berechnet und mit vorherigen Arbeiten verglichen.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: thermographic phosphor, laser induced phosphorescence, turbulent flux, phosphor thermometry, heated round jet
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 19 Jul 2016 12:12
Last Modified: 23 Aug 2016 12:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55323
Referees: Dreizler, Prof. Andreas and Atakan, Prof. Burak
Refereed: 15 June 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5532
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