Die Bedeutung der berührungslosen optischen Diagnostik hat in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Moderne Kamerasysteme und hoch entwickelte laserbasierte Verfahren leisten wesentliche Beiträge bei den Versuchen an unseren Forschungs- und Großprüfständen.
Die Gruppe „Diagnostik & Support“ adaptiert und entwickelt Messverfahren für ein breites Spektrum an Einsatzgebieten, von Raketenantrieben über Wasserstofftechnologien bis hin zu Laboranwendungen.
Folgende technische Hilfsmittel stehen zur Verfügung:
Hochgeschwindigkeitskameras für Aufnahmen mit bis zu 2,1 Millionen Bildern pro Sekunde,
Bildverstärker (Restlichtverstärker) zur Visualisierung von für das menschliche Auge unsichtbaren Phänomenen, wie zum Beispiel Lichtemission im Ultraviolett-Bereich,
Infrarot-Kameras für thermografische Diagnostik,
hochauflösende optische Spektrometer für ultraviolette bis infrarote Wellenlängen,
Beleuchtungstechnik im Hochleistungsbereich.
Unsere Methoden zur wissenschaftlichen Untersuchung und Auswertung von optisch gewonnenen Daten werden nun nachfolgend kurz beschrieben:
Aufbau zur simultanen Hochgeschwindigkeitsvisualisierung im sichtbaren und ultravioletten Wellenlängenbereich
Strömungsphänomene und chemische Reaktionsorte können sichtbar gemacht werden.
Hochgeschwindigkeitsvisualisierung von dynamischen Prozessen mittels Schatten- und Emissionsaufnahmen: Schnell ablaufende Prozesse und transiente Vorgänge können mit modernen digitalen Hochgeschwindigkeitskameras erfasst und analysiert werden. Darunter fallen verschiedene Phänomene mit hoher zeitlicher Auflösung wie beispielsweise die Ausbreitung der Flammen nach der Zündung in einer Raketenbrennkammer, die Dynamik des Strahlzerfalls bei der Einspritzung flüssigen Sauerstoffs in den Brennraum oder das Verhalten einer Flamme in einem starken akustischen Feld. Hochgeschwindigkeitskameras liefern Bildfolgen, die aus einer großen Anzahl von Bildern bestehen. Um aus diesen Bildfolgen quantitative Informationen über die beobachteten Vorgänge zu extrahieren, werden automatisierte Bildverarbeitungsroutinen eingesetzt. So können zum Beispiel die Geschwindigkeit von Tropfen in einer Strömung detektiert oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Flammenfront beim Zündprozess bestimmt werden.
Funktionsweise der Background-Oriented-Schlieren-Technik (BOS)
Verschiedene Eigenschaften wie Dichte, Temperatur oder Stoffzusammensetzung in einem Strömungsfeld, können sichtbar gemacht werden.
Strömungsvisualisierung mithilfe klassischer und Background-Oriented-Schlieren-Technik (BOS): Verschiedene Eigenschaften wie Dichte, Temperatur oder Stoffzusammensetzung in einem Strömungsfeld, können sichtbar gemacht werden. Es handelt sich in der Regel um qualitative Messungen dieser Größen, die Erfassung ihrer räumlichen Verteilung liefert jedoch essenzielle Informationen zur Beurteilung der Strömungs- und Mischungsvorgänge. Unterschiedliche Fluide, Dichte und Temperaturänderungen in einem Strömungsfeld können mit den damit verbundenen Unterschieden im Brechungsindex sichtbar gemacht werden. Verschiedene Verfahren wie die Schlieren- und Schattenfotografie oder das Durchlichtverfahren kommen dabei zum Einsatz. Die Brennkammern werden dazu mit Fenstern ausgestattet, die den optischen Zugang zum Strömungsfeld gewährleisten.
Strömungsvisualisierung mithilfe klassischer und Background-Oriented-Schlieren-Technik (BOS)
Verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung von Schlierenaufnahmen zur Optimierung des visuellen Eindrucks von einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung.
Thermografie mittels hochauflösender Wärmebildkameras: Die thermische Strahlung von Oberflächen kann sowohl zur Temperaturbestimmung als auch zur Strömungsvisualisierung genutzt werden. Die hohen Temperaturen und der hohe Druck in Brennkammern führen zu einer starken thermischen Belastung der Brennkammerstrukturen. Die Infrarot-Strahlung, die von heißen Oberflächen ausgesendet wird, kann zur Bestimmung der Oberflächentemperaturen genutzt und die thermische Belastung der Bauteile während des Betriebs verfolgt werden. Da der Wärmeübergang von den Heißgasen auf die Wand von der Gasströmung abhängt, kann mit der Infrarot-Thermografie auch der Strömungszustand in Wandnähe untersucht werden. Insbesondere bei der Beurteilung der transienten Strömung in Expansionsdüsen wird dieses Verfahren eingesetzt.
Visualisierung der Temperaturverteilung an einer Experimentalbrennkammer
Die Infrarot-Strahlung von heißen Oberflächen kann zur Bestimmung der Oberflächentemparatur genutzt werden.
Flammentemperaturbestimmung mit hochauflösender (sub-nanometer) Emissionspektroskopie: Flammen emittieren neben Licht im visuellen und Infratotbereich auch Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich, also im nichtsichtbaren Bereich. Mit sogenannten Spektrometern kann diese Strahlung als Intensität über der Wellenlänge dargestellt werden. Die hohe Auflösung von Wellenlängen im Subnanometer-Bereich ermöglicht Einblicke in wichtige physikalisch-chemische Prozesse und kann zum Beispiel für die Bestimmung von Flammentemperaturen oder Mischungsverhältnissen (Verhältnis von Brennstoff zu Oxidator) herangezogen werden. Neben der klassischen Emissions- oder Absorptionsspektroskopie kommen auch laserinduzierte Spektroskopieverfahren wie zum Beispiel Laser-induzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) zum Einsatz.
Flammentemperaturbestimmung mit hochauflösender (sub-nanometer) Emissionsspektroskopie
Das Diagramm zeigt das Emissionsspektrum der Verbrennungsreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.
