ISBN 978-3-8439-2080-3

978-3-8439-2080-3, Reihe Thermodynamik

Anja Wohler
Mischungsuntersuchungen in einer beschleunigten kompressiblen Düsenströmung unter Verwendung verschiedener Injektorgeometrien

173 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2015), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In einem neuartigen Verfahren zur Nanopartikelherstellung in einem Stoßwellen-Strömungsreaktor ist die Einmischung des Prekursors in die Umgebungsströmung von zentralem Interesse. Sowohl zeitliche als auch räumliche Homogenität sind erforderlich, um qualitativ hochwertige Nanopartikel mit einer kleinen Varianz im Partikeldurchmesser herzustellen. Auf Grund der hohen Geschwindigkeiten und der kurzen Verweilzeiten im Strömungsreaktor, ist ein sehr schneller Mischungsvorgang erforderlich.

Dieser Mischungsprozess wurde experimentell in einer Lavaldüse untersucht. Es wurden verschiedene Injektorgeometrien, bei denen zum einen die Injektorhinterkante im Unterschallbereich der Lavaldüse kurz vor dem engsten Querschnitt liegt und zum anderen im Überschallbereich zu finden ist, verwendet. Da der Injektormassenstrom im Vergleich zum Umgebungsmassenstrom klein ist, konnte die Strömung stromabwärts des Injektors wie eine Nachlaufströmung behandelt werden. Für die Untersuchungen wurden Druckmessungen durchgeführt und Schlierenoptik sowie die Messtechnik der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) angewandt.

Instantane LIF-Aufnahmen von Toluol zeigten im Fall der Unterschallinjektoren ohne Rampen großskalige gegenläufig rotierende Strukturen und das charakteristische Wellenmuster zwischen benachbarten Wirbeln. Bei dem Unterschallrampeninjektor wurden Längswirbel in die Strömung eingebracht und so eine Mischung im Kernbereich der Strömung erreicht. Im Fall der Überschallinjektoren wurden "Zick-Zackähnliche" Wellenmuster beobachtet. Kurz hinter dem Injektor wurde die Injektorströmung auf Grund der Rekompression zunächst zur Kanalmitte hin beschleunigt.

Die zeitlich gemittelten LIF-Intensitätsprofile wurden mit Hilfe der Massenerhaltung normiert und konnten als normierte Toluolkonzentrationsprofile angesehen werden. Es wurde im Fall aller verwendeten Injektoren Selbstähnlichkeit hinsichtlich der Intensitätsprofile nachgewiesen.

Zur Bewertung der Mischungsqualität wurde eine dimensionslose Größe berechnet, die eine Aussage über die zeitliche und räumliche Verteilung des Prekursors gibt. Es wurde gezeigt, dass der Unterschallrampeninjektor am besten geeignet ist, um qualitativ hochwertige Nanopartikel in der Gasphase zu produzieren. In diesem Fall lag bereits kurz hinter dem Injektor im Kernbereich der Strömung eine hohe Mischungsqualität mit geringen Fluktuationen vor.