Zeitaufgelöste Verbrennungsdiagnostik zur Untersuchung der Bewegung von Flammen in turbulenten Strömungsfeldern

In technischen Verbrennungsprozessen spielt die Interaktion der Flamme mit dem turbulenten Strömungsfeld eine entscheidende Rolle für Stabilität, Sicherheit und Effizienz der Energiewandlung. Turbulente Verbrennung ist ein dreidimensionales Multiskalenphänomen. Im Betrieb technischer Brenner können zusätzlich transiente Verbrennungszustände wie Funken- und Selbstzündung, Flammenverlöschen und Flammenrückschlag auftreten. Zum Untersuchen dieser Phänomene werden in dieser Arbeit bildgebende laseroptische Messmethoden entwickelt und simultan auf die Vermessung transienter Flammen in turbulenter Umgebung angewendet. Die Arbeit beinhaltet grundlegende Weiterentwicklungen bildgebender Hochgeschwindigkeitsmesstechnik im Bezug auf quantitatives Imaging von Skalarfeldern sowie die Quasi-4D-Aufnahme der Bewegung von Flammenflächen. Dabei wird zu Beginn methodisch der Bogen von simplen Visualisierungen der instationären Flammenbewegung über das Verfolgen von Formmerkmalen (Feature Tracking) bis hin zum voll quantifizierten Imaging skalarer Größen, wie beispielsweise Mischungs- und Temperaturfelder, gespannt. Aufgrund kleiner Pulsenergie der verwendeten Festkörperlasersysteme ist eine fortgeschrittene Unterdrückung des Detektorrauschens für eine gute Datenqualität von Skalarfeldern unumgänglich. Dies leistet der entwickelte WAT2d-Algorithmus mit herausragender Performance, speziell für den komplexen Fall der verwendeten räumlich inhomogenen CMOS-Bildsensoren. Neben der Entwicklung der Diagnostik ist insbesondere die simultane Anwendung in drei Laserlichtschnitten zum Quasi-4D-Imaging eine Innovation dieser Arbeit. Hiermit konnte in der Applikation auf einen turbulenten Feuerball erstmals die Eigengeschwindigkeit von Vormischflammen zeitaufgelöst vermessen werden. Die erzeugten Datensätze dienen neben ihren Beiträgen zur Grundlagenforschung in der Verbrennungstechnologie auch als Validierungsdaten für Grobstruktursimulationen.