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Zeitlich und örtlich hochaufgelöste Charakterisierung von Mehrphasenströmungen durch Fasersensoren mit Anwendung auf die Analyse des Lamellenzerfalls an Hohlkegeldüsen

Abstract: 

Die Charakterisierung von hochbeladenen und optisch dichten Mehrphasenströmungen stellt heute nach wie vor eine unzureichend gelöste Aufgabe dar. Erstes Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung eines Messsystems, das basierend auf einem minimal-invasiven Sensor die Strömungsvorgänge beim Zerfall von Lamellen an Hohlkegeldüsen zeitlich hochaufgelöst erfasst. Der im Prinzip bereits erprobte Sensor besteht aus lichtleitenden Fasern, die basierend auf dem Fresnel–Effekt, die Messung des lokalen Brechungsindex ermöglichen. Die Datenerfassung erfolgt mittels einer Zeilenkamera.

Beschreibung: 

Die Beschreibung von hochbeladenen und optisch dichten Mehrphasenströmungen stellt heute nach wie vor eine unzureichend gelöste Aufgabe dar. Ein Ziel dieses Vorhabens ist, ein Messsystem zu entwickeln, das basierend auf einem invasiven Sensor die Strömungsvorgänge in Gas/Flüssig-Mehrphasenströmungen zeitlich hochaufgelöst erfasst. Der Sensor setzt sich aus lichtleitenden Fasern zusammen, die basierend auf dem Fresnel–Effekt, die Messung des lokalen Brechungsindex ermöglichen. Die Datenerfassung erfolgt mittels einer Zeilenkamera. Unter Verwendung von linearen beziehungsweise flächenförmigen Anordnungen der Fasern sollen mit Verfahren aus der Bild- und Datenanalyse sowie der Datenvisualisierung Merkmale gefunden werden, die das Verhalten von Strömung charakterisieren. Teilaspekte dabei sind die Filterung der Artefakte, die Extraktion des Nutzsignals, die Bildrestauration und die Bildverbesserung. Die vorhandene Auswertungssoftware soll um die neuen Verfahren erweitert werden, um einen gut bedienbaren, leistungsfähigen fasersensorbasierten Messsystemprototypen zu erreichen

Ein weiteres Ziel des Vorhabens ist, durch Anwendung des Messsystems neue Erkenntnisse für die Modellierung des Lamellenzerfalls von Hohlkegeldüsen zu gewinnen. Dabei ist insbesondere die Erfassung und Analyse unterschiedlicher Merkmale beabsichtigt, beispielsweise Lamellenoszillation, Strömungsgeschwindigkeit, Krümmung der Lamelle, Verfolgung der Makrostrukturen der Oberfläche und Ausbildung dieser Strukturen. Methodisch erfolgt dieses u. a. über eine Frequenz- und Amplitudenanalyse durch Extraktion bzw. Modellierung der Grundform der Lamelle.

Aus den gewonnenen Daten sollen lokal auf der Lamelle gebräuchliche Kennzahlen wie die Weberzahl, Reynoldszahl, Ohnesorgezahlverteilung, Lamellendicke, Turbulenzgrad und Energiedissipation bestimmt werden und diese dann durch Abbildung auf eine mittlere Kegelgeometrie visualisiert werden. Ausgehend davon sollen eine Modellbildung der Lamellenausbreitung durchgeführt werden und Aussagen über den Einfluss von Frequenzänderung über die Lauflänge, Amplitudenanfachung, Lamellenzerfall, Wachstumsgeschwindigkeit der Löcher auf den Zerfall gemacht werden. Hierzu kommen Methoden der Frequenzanalyse durch generalisierte Merkmalsanalyse zum Tragen.

Bearbeiter: 
Status: 
Aktiv
Förderung: 

DFG-Förderung 2006 - 2009

Kooperation: 

Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen, Mechanische Verfahrenstechnik, TU Dortmund

Publikationen: 
  • M. Gaspar, F. Weichert, E. Musemic: Two dimensional invasive Analysis of Spraying Processes at Hollow Cone Nozzles, International Conference on Mass Data Analysis of Signals and Images (MDA 2010), IBAI Publishing, 2010, accepted for publication
  • E. Musemic, A. Rojek, M. Gaspar, F. Weichert, H. Müller, P. Walzel: Experimental Analysis and 3D-Visualization of Oscillating Hollow-Conical Liquid Sheets in Quiescent Air, in: 11th International Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ICLASS), 2009
  • M. Gaspar, F. Weichert, E. Musemic: High Resolution Invasive Analysis of Spraying Processes at Hollow Cone Nozzles Using Fiber Sensors, Mass Data Analysis of Images and Signals in Medicine, Biotechnology, Chemistry and Food Industry, IBAI Publishing, Vol. 1 (1), 62-75, 2009
  • E. Musemic, P. Walzel, M. Gaspar, F. Weichert: Graphical simulation and visualization of spray-coating processes in computer-aided engineering, ILASS European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, 2008
  • M. Gaspar, F. Weichert, H. Müller, E. Musemic, P. Walzel, M. Wagner: Signal-Processing based Frequency Analysis at Hollow Cones Nozzles, Proceedings of the Fifth IASTED International Conference on Signal Processing, Pattern Recognition, and Application, 244–249, 2008
  • D. Feggeler, P. Walzel, F. Weichert, M. Gaspar, H. Müller: Multivariate data analysis and visualization of position stationary and position-invariant calculated data of Hollow Cone Nozzles, 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF, 2007
  • F. Weichert, M. Gaspar, H. Müller, D. Feggeler, F. Landwehr, P. Walzel: Multivariate data analysis and visualization of position stationary and position-invariant calculated data of Hollow Cone Nozzles, Statistics 2007 - Statistics under one Umbrella, Bielefeld, 2007
  • F. Landwehr, D. Feggeler, P. Walzel, F. Weichert, N. Schröter, H. Müller: A fibre sensor based frequency analysis of surface waves at hollow cone nozzles, Experiments in Fluids, Springer, 1, 1-10, 2006
Interne Veröffentlichungen: 

Diplomarbeiten

  • Netzbasierte Segmentierung dentaler 3D-Daten unter Beachtung geometrischer und topologischer Eigenschaften, Jérôme Triebel, 2007
  • Verschnittoptimierte Positionierung dentaler Implantate für Fräsvorgänge, Christian Kolek, 2009
  • Extraktion relevanter Merkmale ortsstationärer und -invarianter Sensordaten einer Hohlkegeldüse im Hinblick auf eine vergleichende Analyse, Yongfeng Mai, 2008