Untersuchung der Vermischung einphasiger Fluide in einer Jet-in-Crossﬂow Anordnung mittels laserdiagnostischer Verfahren
Creators: name: Cárdenas Muñoz, Camilo Eduardo
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: Strömungsmischer
Lasermesstechnik
Mischungsprozesse
Jet
Crossflow
Laser
PIV
LIF
Mischung
Validierung
Simulation
CFD
SPP1141
JCF
DNS
LES

description: Die Jet-in-Crossﬂow-Strömungsanordnung ist eine geometrisch einfache Strömungskonﬁguration, bei der ein Freistrahl senkrecht in eine gleichmäßige Querströmung eingedüst wird und beide Strömungen miteinander vermischt werden. Diese Strömungsanordnung ﬁndet man häuﬁg in industriellen Anwendungen und in der Natur. Beispiele hierfür sind industrielle Brenner, RQL-Gasturbinen, T-Mischer, Rauchfahnen von Schornsteinen und Vulkanen, Düsenstrahlen von Fluggasturbinen und Raketen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die quantitative experimentelle Untersuchung einer Jet-in-Crossﬂow-Anordnung mit dem Ziel, vollständige statistische Informationen zu gewinnen, insbesondere über die Reynolds-Flüsse und -Spannungen, deren experimentelle Bestimmung für die Erstellung und Validierung numerischer Turbulenzmodelle von großer Bedeutung ist. Mit dem simultanen Einsatz zweier laserdiagnostischer Verfahren, der 2d-LIF (zweidimensionale laserinduzierte Fluoreszenz) sowie der PIV (Particle Image Velocimetry), konnten 2d-Konzentrations- und Geschwindigkeitsfelder gleichzeitig ermittelt und die genannten Größen unmittelbar bestimmt werden.
Dafür wurde eine Anlage so konzipiert und aufgebaut, dass ein möglichst breiter Re-Zahl-Bereich der beiden Strömungen abgedeckt werden kann. Der gesamte experimentelle Aufbau besteht aus: den Zuleitungssystemen für den Crossﬂow und für die Jet-Strömung und dem eigentlichen JCF-Strömungskanal. Für die in dieser Arbeit angewendete Messtechnik, zweidimensionale Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) simultan mit Particle Image Velocimetry (PIV), benötigt man als Lichtquelle einen frequenz-verdoppelten Nd:YAG-Laser (Quantel Brilliant), dessen Laserpuls mit Hilfe eines Galilei-Teleskops zu dem für die Versuche verwendeten Laserschnitt aufgeweitet und über den optischen Zugang (Quarzglasfenster) in die Messstrecke geleitet wird.
Die in dieser Schnittebene entstehenden Signale, einerseits das durch die beiden Strömungen beigemischten Öltröpfchen hervorgerufene Streulicht bei 532 nm und andererseits die breitbandige Fluoreszenz (ca. 540 nm - 700 nm) des angeregten molekularen Tracers (NO2), werden senkrecht zur Orientierung des Laserlichtschnitts auf den entsprechenden Sensor der jeweiligen CCD-Kamera abgebildet. Wesentlicher Bestandteil der Detektionsoptik ist ein dichroitischer Spiegel, der die spektrale Trennung der bei unterschiedlichen Wellenlängen emittierten Lichtsignale bewirkt. Das von den Tracertröpfchen verursachte Streulicht wird von einer CCD-Kamera erfasst. Eine intensivierte CCD-Kamera dient zur Aufnahme der vom molekularen Tracer erzeugten Fluoreszenz. Gewonnen wurden experimentelle Daten für verschiedene Anfangs- und Strömungsbedingungen einer JCF-Konﬁguration. Hierbei wurden Messungen sowohl auf horizontalen Messebenen bei verschiedenen Höhen als auch vertikal an der Symmetrie-Ebene mit dem erwähnten 2d-LIF/PIV-Messverfahren vorgenommen. Ermittelt wurden aus Single-Shot-Experimenten Felder der gemittelten Geschwindigkeiten und Konzentration sowie Größen, die die Fluktuation der Strömung darstellen. Darüber hinaus wurden Varianzen der Konzentration, Turbulenzintensitäten und insbesondere Reynolds-Flüsse und -Spannungen erfasst. Die experimentellen Ergebnisse wurden dann mit LES- und DNS-Simulationen der Strömung von Denev et al. verglichen.
Aus der Arbeit ist zu entnehmen, dass die letztgenannten Größen, die Reynolds-Flüsse und -Spannungen, den turbulenzbedingten erhöhten Stoffaustausch einer turbulenten gegenüber einer laminaren Strömung widerspiegeln und damit in engster Verbindung mit Vermischungsvorgängen stehen. Beim Vergleich zwischen experimentellen Ergebnissen und numerischen Daten wurde eine gute Übereinstimmung mit den Simulationen von Denev et al. gefunden, dies trotz der Komplexität der vorhandenen Strukturen und des geringen Maximalwertes der Fluktuationen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse der Untersuchungen darauf hin, dass das gegensinnig rotierende Wirbelpaar (CRVP) eine charakteristische kohärente Wirbelstruktur einer Jet-in-Crossﬂow-Konﬁguration ist, die einen signiﬁkanten Einﬂuss auf die Größenordnung der komplizierten und schwankenden Größen und damit auf das Mischverhalten beider Strömungen hat. Letzteres ist mit der Einführung eines verdrallten Jets bestätigt worden. Dieser führt zu einer Vernichtung des CRVP und damit zu einer Beeinträchtigung der resultierenden Mischgüte. 
Für künftige Forschungen wäre es ratsam, den Einﬂuss der verschiedenen Wirbel-Strukturen eines JCF auf die hier genannten Größen zu untersuchen. Zusätzlich wäre die Anwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera von Vorteil, um eine hohe zeitliche Auﬂösung der Strukturen zu erfassen.