Diese Versuchsanlage wurde im Rahmen des Christian-Doppler-Labors für Kontinuierliche Erstarrungsprozesse aufgebaut. Ursprünglich wurde sie für Modelluntersuchungen zu Problemen beim Stranggießen von Stahl konstruiert. Betroffen waren Verstopfungsprozesse und Druckverteilungen am Eintritt in Eintauchausgüsse. 

Im Jahr 2002 wurde die Anlage im Rahmen einer studentischen Diplomarbeit deutlich erweitert. In der neuen Version wird die durch Gravitation getriebene Strömung aus dem Verteiler in die Kokille durch verschiedene Eintauchausgüsse untersucht. Der Volumenstrom aus dem Verteiler kann durch einen Stopfen eingestellt werden. Der Eintritt in einen Eintauchausguss ist mit 6 Drucksensoren ausgerüstet. Die Druckverteilung längs der anschließenden geraden Rohrstrecke (evtl. mit Querschnittsänderungen) wird durch 5 weitere Drucksensoren gemessen. Stationäre Strömungsbedingungen werden durch eine Rückführung der Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe und einem einstellbaren Nadelventil erzeugt. Die gesamte Messkette wird mit Hilfe von Field-Point-Modulen von National Instruments in Kombination mit der Laborsoftware LabView durch den Computer gesteuert.

Gesamtansicht der Rohrströmungs-Anlage

Diese Versuchsanlage wurde im Rahmen des Christian-Doppler-Labors für Kontinuierliche Erstarrungsprozesse errichtet. Sie wurde für Untersuchungen zur Blasenbildung an porösen feuerfesten Begasungskörpern entwickelt, die zur gasgestützten Flotation von Verunreinigungen im Stranggießprozess eingesetzt werden. Die Bildung von Gasblasen an einzelnen Löchern und an Gruppen von Löchern wird untersucht, sowohl für benetzende, als auch für nicht benetzende Materialien unter verschiedenen Druckbedingungen und für eine große Vielfalt von Neigungswinkeln der Oberfläche. In den Jahren 2002/2003 wurde die Anlage mit einem präzisen Massenstromregler und mit optischen Systemen zur Bestimmung von Blasenform und Ablösefrequenz ausgerüstet.

Gesamtansicht

Am Institut steht ein 2D-PIV-System zur Verfügung. Dieses DANTEC-System besteht aus

• Dauerstrich-Argon-Ionen-Laser mit 330 mW optischer Leistung
• Flow Map 2000-Prozessor
• Elektro-optischer Shutter
• Polygon-Scanner
• Double-Image 700 Cross-Correlation-Kamera

Dieses System wurde besonders für Untersuchungen der Strömung niedriger Reynoldszahl an Susensionstropfen eingesetzt. Die Tropfen wurden durch einen Tropfengenerator mittels einer Injektionsnadel (ähnlich wie bei medizinischen Spritzen) in ein großes Reservoir mit ruhender Flüssigkeit eingebracht. Die Tropfen bestanden aus reinem Glyzerin und einem kleinen Volumenanteil kleiner Glaskugeln. Die Flüssigkeit in dem Reservoir war reines Glyzerin. Die Bildung und Entwicklung der Tropfen wurden untersucht von den Anfangsstadien des Prozesses bis zum Zerfall in toroidale Strukturen durch Rayleigh-Taylor-Instabilität. Zum Vergleich wurde der Vorgang auch numerisch simuliert.

Weitere Details finden Sie hier.

Gesamtansicht des PIV-Systems

Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) ist eine etablierte optische Technik zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten. Die Geschwindigkeiten werden am Ort des Messvolumens des LDA-Systems gemessen, welches durch Überschneidung zweier Laserstrahlen gleicher Lichtintensität gebildet wird. Partikeln bewegen sich mit der Fluidgeschwindigkeit durch das Messvolumen und streuen Licht. Die beiden gestreuten Lichtwellen sind derart Doppler-verschoben, dass die Schwingungsfrequenzen ihrer elektrischen Feldvektoren unterschiedlich sind. Ihre Interferenz an der Position des Detektors führt zu einer Schwebung mit einer Frequenz, die die Partikelgeschwindigkeit wiedergibt.

Das Bild zeigt das Zwei-Komponenten-LDA, das am Institut verfügbar ist. Die Messungen werden unter dem Rückstreuwinkel von 180° durchgeführt. Das System kann aber auch in Konfigurationen unter Vorwärts-Streuung eingesetzt werden, wobei der Detektor benutzt wird, der sonst zur Erweiterung des Systems zu einem Phasen-Doppler-Anemometer dient.

Die LDA-Messtechnik wird insbesondere für Kanalströmungen und aerodynamische Strömungen angewandt, in der Forschung zu Transportprozessen und Turbulenz. Weitere Anwendungsfelder sind disperse Strömungen, wo die Partikelgeschwindigkeiten gemessen werden sollen.

Dantec Dynamics

Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) wurde als eine Erweiterung der Laser-Doppler-Anemometrie entwickelt. Die hierfür grundlegende Idee, aus dem Licht, das von Partikeln aus dem LDA-Messvolumen gestreut wird, mehr Information zu gewinnen, stammt von Durst and Zaré (1975). Zum Zweck dieser Erweiterung nutzt ein PDA mehr Detektoren als ein LDA und misst den Partikeldurchmesser aus einer Phasendifferenz zwischen Schwebungssignalen, die an verschiedenen Orten im Raum detektiert wurden. Ein PDA-System mit einer Zwei-Komponenten-Sendeoptik liefert daher drei gemessene Eigenschaften von Partikeln – zwei Geschwindigkeitskomponenten und den Durchmesser. Eine Voraussetzung für eine verlässliche Messung des Partikeldurchmessers ist die Kugelform der Partikeln und die Homogenität des Partikelmaterials. Die Messungen finden lokal am Ort es Messvolumens statt, so wie auch bei LDA.

Das Bild zeigt das Zwei-Komponenten-PDA, das am Institut verfügbar ist. Die optische Auslegung des PDA-Systems wird an der jeweiligen Messaufgabe orientiert. Ergebnis der optischen Auslegung sind der Kreuzungswinkel der Laserstrahlen, der Streuwinkel, unter dem die Empfangsoptik positioniert werden muss, und die Erhebungswinkel der Photodetektoren.

Dantec Dynamics

Die PDA-Messtechnik wird typisch für Messungen in dispersen zwei- oder dreiphasigen Strömungen eingesetzt, wie z.B. in Sprays und in mehrphasigen Kanal- oder Rohrströmungen mit flüssiger Trägerphase und gasförmiger oder fester disperser Phase.

Erweiterte Versionen eines Phasen-Doppler-Anemometers können bis zu vier Detektoren enthalten, z.B. zur Messung des Brechungsindex der Partikeln neben deren Größe und Geschwindigkeit (EPDA oder Dual-Burst-Technik) sowie zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Partikelspezies (wie z.B. festen Partikeln und Blasen in einer Flüssigkeitsströmung). Die jüngste Entwicklung in der PDA ist die Dual-Mode-PDA, die sich durch eine optimierte Konfiguration der Detektoren auszeichnet.

Wichtige Publikationen über diese Arbeit:

[1] F. Durst and M. Zaré: Laser Doppler measurements in two-phase flows. Proc. LDA symposium Copenhagen 1975, 403-429.

[2] A. Naqwi, F. Durst, X.-Z. Liu: Two optical methods for simultaneous measurement of particle size, velocity, and refractive index. Appl. Optics 30 (1991), 4949-4959.

[3] C. Tropea, T.-H. Xu, F. Onofri, G. Gréhan, P. Haugen, M. Stieglmeier: Dual-mode phase-Doppler anemometer. Part. Part. Syst. Charact. 13 (1996), 165-170.

[4] G. Brenn and F. Durst: Refractive index measurements using the phase-Doppler technique. Atomiz. and Sprays 5 (1995), 545-567.

[5] F. Onofri, T. Girasole, G. Gréhan, G. Gouesbet, G. Brenn, J. Domnick, T.-H. Xu, C. Tropea: Phase-Doppler anemometry with the dual burst technique for measurement of refractive index and absorption coefficient simultaneously with size and velocity. Part. Part. Syst. Charact. 13 (1996), 112-124.

Ein Levitator ist eine Einrichtung zur Positionierung von Objekten an einer festen räumlichen Position. Das vorliegende Gerät nutzt die quasi-stationäre Druckverteilung einer stehenden akustischen Welle zur Levitation kleiner flüssiger oder fester Objekte, wie z.B. flüssiger Tropfen oder fester Partikeln, an einer genau definierten Position. Das Gerät auf dem Photo wird zur Untersuchung von Wärme- und Stoffübertragung zwischen dem Tropfen oder der Partikel und der gasförmigen Umgebung eingesetzt. Hierzu können Temperatur und Feuchtigkeit in der Umgebung in weiten Bereichen variiert werden.

Messungen werden mittels Sichtbarmachungstechniken durchgeführt. Die Hardware besteht wesentlich aus einer Videokamera und einer Lichtquelle, die auf dem Photo nicht gezeigt sind. Die Daten werden durch eine Framegrabber-Karte eines PC erfasst. Für Tropfen werden zeitabhängig das Volumen und der äquivalente Durchmesser gemessen. Aus diesen Daten wurden die Tropfenoberfläche und die Verdunstungsrate als Funktionen der Zeit abgeleitet.

Objekte in der akustischen Welle, wie der verdunstende Tropfen, induzieren eine so genannte akustische Sekundärströmung, eine stationäre Sekundärströmung in der Form zweier toroidaler Wirbel, einer oberhalb und einer unterhalb des levitierten Tropfens. Das folgende Bild zeigt einen Meridianschnitt durch den Wirbel oberhalb eines levitierten Methanol-Tropfens mit Volumen 1,5 µl, entsprechend einem Durchmesser von 1,42 mm.

Um interpretierbare Messdaten zu erhalten müssen die Wirbel frei von Dampf gehalten werden, der durch Verdunstung des Tropfens entsteht. Eine Anreicherung des Dampfes in diesen Wirbeln würde die Verdunstungsrate verringern und zu unerwarteten Ergebnissen führen, da im Fall verdunstender Kohlenwasserstoffe die Umgebungsluft frei von Dampf ist.

Auch zum Trocknungsverhalten von Suspensionstropfen werden Messdaten mit Hilfe des akustischen Levitators erzeugt. Ein wesentlicher Teil der Ergebnisse ist die nachfolgende Wiedergabe der Porosität e trockener Körner als Funktion der Trocknungs- und der Anfangsbedingungen.

Wichtige Publikationen über diese Arbeit:

[1] A.L. Yarin, M. Pfaffenlehner, C. Tropea: On the acoustic levitation of droplets. J. Fluid Mech. 356 (1998), 65-91.

[2] A.L. Yarin, G. Brenn, O. Kastner, D. Rensink, C. Tropea: Evaporation of acoustically levitated droplets. J. Fluid Mech. 399 (1999), 151-204.

[3] E.G. Lierke: Akustische Positionierung - ein umfassender Überblick über Grundlagen und Anwendungen. Acustica - acta acustica 82 (1996), 220-237.

[4] O. Kastner, C. Tropea, G. Brenn, D. Rensink: Mass transfer from droplets during drying in an acoustic tube levitator. Proc. 8th Int. Conf. Liquid Atomiz. Spray Syst. (ICLASS 2000), Pasadena (CA, USA), July 2000.

Dieses Instrument wurde zur Charakterisierung viskoelastischer, dehnverfestigender Flüssigkeiten in uniaxialen Dehnströmungen entwickelt. Die Flüssigkeitsprobe wird zwischen die Stirnflächen zweier Kreiszylinder eingebracht. Für die Messung wird der obere Zylinder in sehr kurzer Zeit um eine voreingestellte Strecke nach oben bewegt, so dass ein Filament der Flüssigkeit mit konstanter Länge entsteht. Durch die Wirkung der Oberflächenspannung nimmt der Durchmesser des (nahezu zylindrischen) Filaments mit der Zeit ab. Die optische Einrichtung des Instruments besteht aus einer Laserdiode zur Beleuchtung des Filaments und einer PIN-Photodiode zur Detektion der Lichtintensität. Gemessen wird die zeitliche Entwicklung des Filamentdurchmessers durch eine einfache Schattentechnik. Die Spannung, die die Photodiode ausgibt, ist proportional zum Filamentdurchmesser, d.h. zur Breite des Filamentschattens, der auf die lichtempfindliche Fläche der Diode projiziert wird. Die Spannung wird mit Hilfe einer Kalibrierung in Länge umgerechnet. Das wesentliche Ergebnis dieser Messung ist eine Relaxationszeit des Fluids in uniaxialer Strömung, aus der die Dehnviskosität als Funktion der Zeit ermittelt werden kann.