TP-B2
Beschreibung
Die Einspritzung eines Fluides in eine überkritische Umgebung hat das Potenzial zur Verbesserung energietechnischer Prozesse, wie z. B. der Verbrauchsminimierung in aufgeladenen motorischen Brennverfahren oder der Kontrolle von Verbrennungsinstabilitäten. Der gezielte Einsatz einer überkritischen Einspritzung in technischen Prozessen wird derzeit dadurch erschwert, dass die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse nur unzureichend verstanden sind. Dies betrifft vor allem den Aufbruch, die „Verdampfung“ sowie die Vermischung eines Fluides beim Übergang von unter- zu überkritischen Bedingungen (die Verdampfung setzt eine Phasengrenze voraus, die beim Übergang zu überkritischen Bedingungen nicht mehr existiert; da jedoch kein prägnanter Ausdruck für diesen Prozess existiert, soll in diesem Kontext trotzdem der Terminus „Verdampfung“ verwendet werden, wenn beispielsweise der Übergang von einer Flüssigkeit (p > pkrit, T > Tkrit) beschrieben wird). Hier fehlt es an detaillierten experimentellen Untersuchungen, die für eine Modellentwicklung und Validierung unerlässlich sind.
Die Zielstellung dieses Teilprojektes ist daher eine umfangreiche experimentelle Untersuchung des Verdampfungs- und Mischungsprozesses isolierter Tropfen, die in eine überkritische oder naheüberkritische Umgebung eingespritzt werden. Auf Grundlage dieser Daten soll auch durch Kooperation innerhalb des SFB-TRR 75 die mathematische Regime-übergreifende Modellierung der physikalischen Prozesse verbessert werden. Das setzt klar definierte Randbedingungen im Experiment voraus. Im Gegensatz zu Sprayuntersuchungenlassen sich klar definierte und reproduzierbare Randbedingungen für isolierte Tropfen gewährleisten, die in eine optisch zugängliche Kammer hohen Drucks und hoher Temperatur eingebracht werden. Es sollen Messmethoden weiterentwickelt und eingesetzt werden, die eine quantitative und genaue Bestimmung der Tropfenmorphologie, der Größe, der Geschwindigkeit, der Mischung mit der umgebenden Gasphase und den Übergang von unter- zu überkritischen Zuständen ermöglicht. Zusammenfassend ist somit das Ziel, die zeitliche Entwicklung des Tropfens während seines Übergangs in einen überkritischen Zustand möglichst umfassend experimentell zu beschreiben, Daten zur Validierung einer Regime-übergreifenden mathematischen Modellierung zur Verfügung zu stellen und damit die Grundlage für zukünftige innovative Brennstoffeinspritzungstechnologien zu schaffen.
Die methodischen Herausforderungen dieses Projektes sind zum einen der Prüfstandsaufbau, der die kontrollierte Einspritzung einzelner Tropfen oder Tropfenketten in eine Gasumgebung ermöglicht, deren Druck- und Temperaturniveau sich bis in den für die eingespritzte Flüssigkeit überkritischen Bedingungen variieren lässt. Zum zweiten gibt es nur wenige Methoden, die das Potenzial haben, den Übergang eines anfänglich flüssigen Tropfens in einen überkritischen Zustand sowie die Mischungsprozesse mit der umgebenden Gasphase experimentell zu untersuchen. In diesem Projekt werden verschiedene optische Methoden auf ihre Tauglichkeit für diese anspruchsvollen Messaufgaben untersucht und dann angewandt, um als Modellsystem die zeitliche Entwicklung von Acetontropfen nach ihrem Einbringen in eine O2/N2-Umgebung zu untersuchen. Dabei werden die Umgebungsbedingungen bei variabler O2-Konzentration bis in den für Aceton überkritischen Bereich (pkrit~48±4bar, Tkrit~508±2K) variiert. Zusätzlich zu dem Medium Aceton werden weitere Flüssigkeiten wie Fluorketone und Alkane wie n-Heptan untersucht. Auf Grundlage dieser Untersuchungen sollen nachfolgende flüssige Jets bis hin zu überkritischen Bedingungen untersucht werden.
Die Komplexität der gestellten Aufgabe erfordert eine sehr umfangreiche Expertise auf verschiedenen Teilgebieten. Dies spiegelt sich in zwei Teilprojektleitern wider, deren Kompetenzen sich ideal ergänzen. Erst die Verteilung auf die Standorte Stuttgart und Darmstadt ermöglicht eine solch umfangreiche experimentelle Charakterisierung. Außerdem trägt die verteilte Projektleitung zu einer noch engeren Vernetzung der Standorte bei. Das Projekt zeichnet darüber hinaus verantwortlich für die Koordinierung aller im Transregio verwendeten Messmethoden und übernimmt damit eine Querschnittsfunktion.
Publikationen
2021
Preusche, A.:
Non-invasive thermometry and wake mixture fraction determination of evaporating droplets at elevated pressures using laser spectroscopy.
Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2021
DOI: 10.26083/tuprints-00019515
Steinhausen, C., Gerber, V., Preusche, A., Weigand, B., Dreizler, A., Lamanna, G.:
On the potential and challenges of laser-induced thermal acoustics for experimental investigation of macroscopic fluid phenomena.
Experiments in Fluids, 62(2), Article 2, 2021.
https://doi.org/10.1007/s00348-020-03088-1
2020
Stierle, R., Waibel, C., Gross, J., Steinhausen, C., Weigand, B., Lamanna, G.:
On the Selection of Boundary Conditions for Droplet Evaporation and Condensation at high Pressure and Temperature Conditions from interfacial Transport Resistivities.
International Journal of Heat and Mass Transfer, 151, 119450, 2020.
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119450
Lamanna, G., Steinhausen, C., Weckenmann, F., Weigand, B., Bork, B., Preusche, A., Dreizler, A., Stierle, R., Gross, J.:
Laboratory Experiments of High-Pressure Fluid Drops: Chapter 2.
American Institute of Aeronautics and Astronautics (Hg.) -- High-Pressure Flows for Propulsion Applications, 49--109, 2020.
https://doi.org/10.2514/5.9781624105814.0049.0110
Preusche, A., Dreizler, A., Steinhausen, C., Lamanna, G., Stierle, R.:
Non-invasive, spatially averaged temperature measurements of falling acetone droplets in nitrogen atmosphere at elevated pressures and temperatures.
The Journal of Supercritical Fluids, 166, 105025, 2020.
https://doi.org/10.1016/j.supflu.2020.105025
2019
Steinhausen, C., Lamanna, G., Weigand, B., Stierle, R., Gross, J., Preusche, A., Dreizler, A., Sierra-Pallares, J.:
On the influence of evaporation on the mixture formation of high pressure combustion.
Proceedings ICMF 2019, 10th International Conference on Multiphase Flow: May 19 -- 24, 2019, Rio de Janeiro, Brazil, 2019.
Steinhausen, C., Reutzsch, J., Lamanna, G., Weigand, B., Stierle, R., Gross, J., Preusche, A., Dreizler, A.:
Droplet Evaporation under High Pressure and Temperature Conditions: A Comparison of Droplet Evaporation under High Pressure and Temperature Conditions.
Proceedings ILASS--Europe 2019, 29th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems: 2-4 September 2019, Paris, France, 2019.
Weckenmann, F.:
Experimental Investigations of Isolated Fluid Particles under Extreme Conditions.
Dissertation, Universität Stuttgart, 2019
Preusche, A.:
Average Temperature Approximation of Evaporating Falling Acetone Drops Using UV Fluorescence-Phosphorescence Response
2019 Laser Diagnostics in Energy and Combustion Science June 23, 2019 - June 28
2019 Les Diablerets Conference Center in Les Diablerets Switzerland
2018
Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, T., de Gersem, H., Steinhausen, C., Lamanna, G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A.:
Modelling and Simulation of Electrically Controlled Droplet Dynamics.
In U. Langer, W. Amrhein, & W. Zulehner (Hrsg.), Scientific Computing in Electrical Engineering (Bd. 28, S. 101--109).
Springer International Publishing, 2018.
https://doi.org/10.1007/978-3-319-75538-010
Lamanna, G., Steinhausen, C., Weigand, B., Preusche, A., Bork, B., Dreizler, A., Stierle, R., Gross, J.:
On the importance of non-equilibrium models for describing the coupling of heat and mass transfer at high pressure.
International Communications in Heat and Mass Transfer, 98, 49--58, 2018.
https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2018.07.012
Palmetshofer, P., Steinhausen, C., Preusche, A., Dreizler, A., Weigand, B., Lamanna, G.:
Comparison of diffusion models for application in low- to high-pressure droplet evaporation problems.
Proceedings ICLASS 2018, 14th Triennial International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems: July 22-26 2018, Chicago, IL, USA, 2018.
2017
Bork, B., Preusche, A., Weckenmann, F., Lamanna, G., Dreizler, A.:
Measurement of species concentration and estimation of temperature in the wake of evaporating n-heptane droplets at transcritical conditions.
Proc. of the Comb. Inst., 36: 2433–2440, 2017.
Ouedraogo, Y., Gjonaj, E., Weiland, A., Steinhausen, C., Lamanna, G., Weigand, B., Preusche, A., Dreizler, A.:
Electrohydrodynamic simulation of electrically controlled droplet generation.
Int. J. of Heat and Fluid Flow, 64: 120–128, 2017.
Steinhausen, C., Lamanna, G., Weigand, B., Stierle, R., Groß, J., Preusche, A., Dreizler, A.:
Experimental Investigation of Droplet Injections in the Vicinity of the Critical Point: A comparison of different model approaches.
28th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Valencia, Spain, 2017.
2015
Lamanna, H. Kamoun, B. Weigand, Dr. C. Manfletti, Dipl.-Ing. A. Rees, Dr. J. Sender, Prof. M. Oschwald, Dr. J. Steelant,
Flashing behaviour of rocket engines propellants.
Atomization and Sprays, Vol. 25, No. 10, pp. 837–856, 2015
Bork, B.:
Tropfenverdampfung in transkritischer Umgebung: Untersuchung mit laserspektroskopischen Methoden.
Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2015.
2014
Weckenmann, G. Lamanna, B. Weigand, Dipl.-Ing. Benjamin Bork, Prof. Dr. rer. nat. Andreas Dreizler
Experimental Investigation of Droplet Injections in the Vicinity of the Critical Point
14th European Meeting on Supercritical Fluids, Marseille, 2014
Bork, Benjamin ; König, T. ; Weckermann, F. ; Lamanna, G. ; Dreizler, Andreas ; Weigand, Bernhard
Thermometry of evaporating acetone droplets in near-critical conditions by combined phosphorescence/fluorescence measurements
10th Intl. Conference series on Laser-Light and Interactions with Particles, Marseille, France, 2014
2013
Bork, F. Stritzke, F. Weckenmann, G. Lamanna, B. Weigand, A. Dreizler:
Acetone Photophysics Investigations for the Application of PLIFP to Droplet Evaporation Measurements under Supercritical Conditions.
ILASS–Europe, 25th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Chania, Greece, 1-4 September, 2013
Oldenhof, E.; Weckenmann, F.; Lamanna, G.; Weigand, B.; Bork, B.; Dreizler, A.:
Experimental investigation of isolated acetone droplets at ambient and near-critical conditions, injected in a nitrogen atmosphere.
Progress in Propulsion Physics 4 (2013), 257-270, (eds.: L.T. DeLuca, C. Bonnal, O. Haidn and S.M. Frolov), EDP Sciences, Torus Press
Lamanna, H. Kamoun, B. Arnold, K. Schlottke, B. Weigand, J. Steelant:
Differential infrared thermography (DIT) in a flashing jet: a feasibility study
QIRT J. 10(1) 2013, 112-131. DOI: 10.1080/17686733.2013.786903
Brübach, J., Pflitsch, C., Dreizler, A., Atakan, B.;
On surface temperature measurements with thermographic phosphors
Prog. Energy Combust. Sci. 39 (2013), 37-60
2012
Bork, F. Weckenmann, G. Lamanna, B. Weigand, B. Böhm, A. Dreizler
Droplet studies at conditions near the critical point.
Spray 2012, Berlin, 21.-22. Mai 2012, 2012
2011
Weckenmann, F.; Bork, B.; Oldenhof, E.; Lamanna, G.; Weigand, B.; Böhm, B.; Dreizler, A.
Single Acetone Droplets at Supercritical Pressure: Droplet Generation and Characterization of PLIFP.
Zeitschrift für Physikalische Chemie, 225 (11-12) pp. 1417-1431, 2011
2006
Lamanna, H. Sun, M. Schüler, B. Weigand, D. Magatti, F. Ferri
Comparative study of equilibrium and non-equilibrium evaporation models for vaporizing droplet arrays at high pressure.
Advanced Combustion and Aerothermal Technologies: Environmental Protection and Pollution Reduction, Nick Syred (ed.), Springer Verlag, 2006