Zweidimensionale Tropfengrößenbestimmung in Sprays mittels Laser-Raman-Streuung und Laser-Mie-Streuung

Die vorliegende wissenschaftliche Arbeit befasst sich maßgeblich mit der Neuentwicklung eines laseroptischen Messverfahrens zur bildgebenden Bestimmung von Tropfengrößen in Flüssigkeitssprays. Die Kenntnis der lokal und zeitlich aufgelösten Tropfengröße ist in vielen Anwendungsbereichen von Flüssigkeitssprays eine wesentliche Voraussetzung zur Entwicklung und Qualitätssicherung von Düsen und Injektoren. Die reproduzierbare und quantitative Erzeugung von Tropfen in einem bestimmten Größenbereich spielt für die Wirksamkeit der Systeme eine immanent wichtige Rolle. Dabei ist es unerheblich, ob das Ziel der Sprayerzeugung die Medikamentengabe per Aerosolinhalatoren oder die Verstäubung flüssiger Kraftstoffe als Vorbereitung zur Verbrennung in technischen Systemen ist. Der derzeitigen Stand der Technik der zweidimensionalen Tropfengrößenmessverfahren, die überwiegend zur Spraycharakterisierung eingesetzt werden, beruhen auf dem simultanen Einsatz von Laserinduzierter Fluoreszenz und Mie-Streuung. Die Quantifizierung der Tropfengröße mit dieser Methode weist einige Unsicherheiten aufgrund der besonderen Eigenschaften der Fluoreszenz auf. Daher wird dieser optische Effekt in dieser Arbeit durch die Raman-Streuung ersetzt. Die Grundlagen der hier eingesetzten optischen Messverfahren Raman-Streuung und Mie-Streuung mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen werden ausführlich behandelt und mit Rücksicht auf ihre Einsetzbarkeit für das Forschungsvorhaben begutachtet. Für den Einsatz zur Tropfengrößenmessung an Sprays sind umfangreiche Vorarbeiten wie die Entwicklung einer Kalibrierstrategie notwendig. Es werden zwei Kalibrierverfahren vorgestellt, das eine beruht auf der Vermessung von Tropfen bekannter Größe beruht, das andere nutzt den Vergleich der Messdaten mit Messungen aus der Phasen-Doppler-Anemometrie an einigen Punkten im eigentlichen Messobjekt zur Kalibrierung. Die Anwendung der Messtechnik in einem Spray, das von einem Injektor für die Benzindirekteinspritzung erzeugt wird und der Vergleich mit Messdaten, die mit der anerkannten und vielseitig eingesetzten Messmethode der Phasen-Doppler-Anemometrie erfasst wurden, zeigen die Anwendbarkeit der neu entwickelten Messtechnik. Abschließend wird eine Einschätzung der Anwendungsbereiche gegeben und die weiteren Entwicklungsschritte aufgezeigt.