Quantitative bildgebende Messtechniken in Strömungen
Quantitative Imaging in Flows

Die Vorlesung behandelt bildgebende Messtechniken, die in Strömungen eingesetzt werden können, um quantitativ und berührungslos physikalische und chemische Eigenschaften ab zu bilden. Z.B. kann mit der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) die Kraftstoffkonzentration in einem Motor vermessen werden. Messprinzipien, Hardware (z.B. Kameratechnologie), und Datenverarbeitung werden erläutert. Im begleitenden Praktikum (separat aufgeführte Veranstaltung) bauen die Studenten einen klassischen Versuch der turbulenten Strömungslehre auf, führen ihn durch, und werten die Ergebnisse aus: 2D-Messung des Konzentrationsfeldes im turbulenten Freistrahl. Die Studenten dokumentieren Vorgehen und Ergebnisse in einem Praktikumsbericht.

Inhalte:
Vorlesung und Übung:
1) Warum laser-basierte Messmethoden in Strömungen?
Vorführen eines typischen Experimentes im Labor.
2) Bildgebende Strömungsmessung: Methoden, Anwendungen, Beispiele
3) Einfache Optik: Strahlenoptik, Polarisation, Interferenz, Filter
4) Laser: Physik, Laserarten, Baugruppen. LEDs.
5) Bildformung: Auflösung, Objektive, Abbildungsfehler.
6) Kameras und Detektoren: CCD, ICCD, CMOS, Photodiode, PMT. Sensorgüte und Rauschen.
7) Bildverarbeitung: Photometrie, Filtern, Statistische Analyse.

Praktikum (Fluoreszenz-basierte Abbildung eines turbulenten Freistrahls):
Literaturüberblick
Aufbau des Experimentes
Datenerfassung, Bearbeitung und Auswertung
Bericht

Die Studierenden verstehen die Grundlagen und Anwendungen quantitativer bildgebender Messverfahren in reaktiven Strömungen, insbesondere die dazu gehörigen Technologien wie Kamerasysteme und Lichtquellen. Sie können grundlegende Parameter der Bildgebung in typischen Anwendungen abschätzen.

Eckbreth, Laser diagnostics for combustion temperature and species, Gordon and Breach, Amsterdam, 1996

Demtröder, Laserspektroskopie. Grundlagen und Techniken, Springer, Berlin-Heidelberg-New York, 2000

Die Teilnahme am Praktikum ist verpflichtend.

This class discusses two-dimensional measurement techniques, which can be used to quantitatively and non-intrusively image physical and chemical properties in flows. For example, laser-induced fluorescence (LIF) can image the fuel concentration in the cylinder of an automotive engine. Measurement techniques, hardware (for example, camera technology), and image processing are discussed. In the accompanying lab (listed separately), students will set up and evaluate a classic experiment of turbulent fluid dynamics: a 2D measurement of the instantaneous concentration in a turbulent free jet. The students document experiment and result in a lab report.


Syllabus:
Lecture and problem session:
1) Why use laser-based imaging in (reacting) flows?
Demonstration of a typical experiment in the lab.
2) Flow-imaging diagnostics: Method, applications, example.
3) Basic optics: Geometric optics, polarization, interference, filters.
4) Lasers: Physics, classes of lasers, laser components. LEDs.
5) Imaging: Resolution, lenses for imaging, aberrations.
6) Cameras and detectors: CCD, ICCD, CMOS, Photodiode, PMT. Sensor performance and noise.
7) Image processing: Photometric processing, filtering, statistical analysis

Laboratory (Fluorescence imaging in a turbulent jet):
Review literature
Set up experiment
Acquire, process, and evaluate data
Write report

The students understand the fundamentals and applications of quantitative imaging techniques for spatially resolved measurements in reacting flows, in particular the corresponding technologies like cameras and light sources. They are able to estimate basic parameters of imaging for typical applications.

Eckbreth, Laser diagnostics for combustion temperature and species, Gordon and Breach, Amsterdam, 1996

Demtröder, Laserspektroskopie. Grundlagen und Techniken, Springer, Berlin-Heidelberg-New York, 2000

Participation in the laboratory class is mandatory.