Turbulente Flammen und Strömungen: Turbulente wandnahe Strömung

In einer Gasströmung, die feste Charakteristika aufweist (Strömungsgeschwindigkeit, Querschnitt des Strömungs-kanals, Turbulenzgrad, etc.) werden mit Hilfe von abbildenden laserspektroskopischen Verfahren turbulente Strukturen in der Nähe einer Wand visualisiert. Bei diesem Experiment geht es darum, Messtechniken, mit denen man Strömungsstrukturen sichtbar machen und beobachten kann, zu entwickeln und anzuwenden. Die Visualisierung kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen:

- Es besteht die Möglichkeit, die zu untersuchende Strömung mit Partikeln zu dotieren und diese dann durch Streuung von Licht sichtbar zu machen und dadurch ihren Weg zu verfolgen und Strukturen in der Strömung zu erkennen. Diese Methode bezeichnet man als Particle Image Velocimetry (PIV) oder als Particle Tracking Velocimetry (PTV).

- Eine andere Möglichkeit ist, bereits in der Strömung vorhandene Moleküle mit Hilfe von laserspektroskopischen Methoden zu "aktivieren", so dass sie in einem zweiten Schritt, nachdem sie von der Strömung über eine gewisse Distanz transportiert wurden, gezielt sichtbar gemacht werden können, um dadurch lokale Strömungsverhältnisse darzustellen. Dies wird als Flow Tagging bezeichnet.

Abbildung 1: Aufbau des Strömungskanals für die optische Diagnostik an der Wand.

Abbildung 2: Flow-tagging Messungen ind er Strömung besierend auf NO2 Photolyse und NO LIF

Zur Beobachtung von wandnahen Strömungen durch Flow tagging wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem der Luftströmung eine geringe Menge NO2 Mit einem Laser (Nd:YAG, 355 nm) wird senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zur Wand des Strömungskanals entlang dieses Laserstrahles NO2 photolytisch gespalten. Mit Hilfe eines Farbstofflasers bei einer Wellenlänge von 226 nm wird das dabei erzeugte NO mit Hilfe von abbildender Laser-induzierter Fluoresenz sichtbar gemacht. Die NO-Verteilung wird mit einer CCD Kamera senkrecht zur Strömungsrichtung (und zum Laserstrahl) beobachtet. Die erhaltenen Bilder zeigen die Verteilung des durch Dissoziationslaser erzeugten NO als Linie. Mit zunehmender Zeitdifferenz zwischen dem Dissoziations- und dem Detektionslaser, wird die ursprünglich gerade NO-Linie gemäß der Struktur der Strömung transportiert und verzerrt. Ein offensichtlicher Effekt ist die Verzögerung der Bewegung der Linie in unmittelbarer Nähe der Wand. Durch dieses Verfahren lassen sich Strömungsstrukturen bis dicht an die Wand heran sichtbar machen und analysieren.

Literatur:
[1] J. v. Saldern, S. Doose, C. Orlemann, and C. Schulz, "Investigation of small-scale wall near flow structures using NO-tagging," in Proceedings of: Application of laser techniques to fluid mechanics (Lisbon, 2000).
[2] T. Fuyuto, H. Kronemayer, B. Lewerich, W. Koban, K. Akihama, and C. Schulz, "Laser-based temperature imaging close to surfaces with toluene and NO-LIF," in International Conference on Laser Diagnostics, ICOLAD2005 (London, 2005), 53-61.
[3] C. Orlemann, C. Schulz, and J. Wolfrum, "NO-flow tagging by photodissociation of NO2. A new approach for measuring small-scale flow structures," Chem. Phys. Lett. 307, 15-20 (1999).