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Tropfenverdampfung in transkritischer Umgebung: Untersuchung mit laserspektroskopischen Methoden

Bork, Benjamin Sebastian :
Tropfenverdampfung in transkritischer Umgebung: Untersuchung mit laserspektroskopischen Methoden.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Tropfenverdampfung in transkritischer Umgebung: Untersuchung mit laserspektroskopischen Methoden
Language: German
Abstract:

Die Weiterentwicklung von Dieselmotoren und Gasturbinen führt zu stetig steigenden Brennraumdrücken. Mit zunehmender Verdichtung steigt auch die Temperatur, die im Brennraum zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung herrscht. So werden leicht Bedingungen erreicht, die den kritischen Punkt typischer Flüssigkraftstoffe hinsichtlich Druck und Temperatur übersteigen. Der Prozess der transkritischen Kraftstoffverdampfung ist zurzeit noch unzureichend verstanden und daher Thema aktueller Forschungsarbeiten. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, anstelle eines komplexen technischen Systems wie dem Spray eines mehrkomponentigen Kraftstoffs, einen einzelnen Tropfen einer einkomponentigen Flüssigkeit zu untersuchen.

Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der transkritischen Tropfenverdampfung zum Ziel eines besseren Verständnisses dieses Prozesses und der Bereitstellung von Daten für die Validierung numerischer Modelle. Zunächst werden verschiedene Methoden auf ihre Eignung für die Messung relevanter physikalischer Größen an verdampfenden Tropfen hin untersucht. Dazu werden sie unter kontrollierten Bedingungen charakterisiert und zum Teil an verdampfenden Einzeltropfen eingesetzt. Eine dieser Methoden ist die Laserinduzierte Fluoreszenz und Phosphoreszenz (LIFP) von Aceton zur Unterscheidung zwischen Flüssig- und Gasphase. Die LIFP von Aceton wird in dieser Arbeit außerdem zu einer Messmethode für die Tropfentemperatur weiterentwickelt.

Als dritte Methode wird die Raman-Spektroskopie zur Messung von Stoffkonzentrationen in der Gasphase eingesetzt. Zunächst werden Voruntersuchungen mittels Spektrometer vorgestellt, deren Ergebnisse zur Entwicklung einer Messeinrichtung für die bildgebende Raman-Spektroskopie beigetragen haben. Das resultierende Messsystem dient der Messung zweidimensionaler Verteilungen der Kraftstoffkonzentration. Unter Verwendung thermischer Zustandsgleichungen und einer Modellannahme wird dieses System für die Messung von Temperaturverteilungen in der Gasphase im Nachlauf verdampfender Tropfen erweitert.

Die bildgebende Raman-Spektroskopie wird auf Tropfen fünf verschiedener Kraftstoffe bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen angewendet. Darin zeigt sich ein deutlicher Temperaturrückgang im Nachlauf aller vermessenen Tropfen, der darauf hindeutet, dass die Oberflächentemperatur der Tropfen deutlich unter der Umgebungstemperatur bleibt und die Tropfen unter den betrachteten Bedingungen stark durch Verdampfung gekühlt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The recent development in diesel engines and gas turbines towards increasing compression ratios leads to very high pressures and temperatures at the time of fuel injection. Typical conditions can exceed the critical point of typical liquid fuels with regard to pressure and temperature. The process of transcritical fuel evaporation is at present still insufficiently understood and therefore the subject of current research. The approach of the present work is to investigate a single drop of a one-component liquid instead of a complex technical system such as the spray of a multi-component fuel. The aim is the investigation of transcritical drop evaporation for the purpose of gaining a better understanding of this process and providing data for the validation of numerical models. First, different measurement techniques are tested for their suitability to vaporizing drops under these extreme conditions. For this purpose, they are characterized under controlled conditions and some of them applied to evaporating droplets. One of these spectroscopic methods is laser-induced fluorescence and phosphorescence (LIFP) of acetone to distinguish between liquid and gas phases. The LIFP method for acetone is then developed to a measurement technique for droplet temperature. As a third method, Raman spectroscopy is used to measure species concentrations in the gas phase. Preliminary investigations are presented employing spectrometers. Their results have contributed to the development of a measuring device for Raman imaging. The resulting measurement system is used to measure two-dimensional distributions of the fuel concentration. Using real gas equations of state and a model assumption, this system is extended for the measurement of temperature distributions in the gas phase in the wake of evaporating drops. Raman imaging is applied to droplets of five different fuels under varying ambient conditions. This shows a clear temperature drop in the wake of all measured droplets, which indicates that the surface temperature of the droplets remains well below the ambient temperature.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 24 Feb 2017 14:44
Last Modified: 24 Feb 2017 14:44
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-60151
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Weigand, Prof. Dr. Bernhard
Refereed: 11 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6015
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