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.