Diese Arbeit wurde auf dem Jahrestreffen der DECHEMA/VDI-Fachgruppen Mehrphasenströmungen, Agglomerations- und Schüttguttechnik und Computational Fluid Dynamics vorgestellt. Die Konferenz fand vom 16. bis 18. März 2026 an der TU Dresden statt. Im Mittelpunkt standen Mehrphasenströmungen, Agglomerations- und Schüttguttechnik, numerische Strömungsmechanik (CFD), neue Messmethoden sowie KI-Methoden zur Analyse von Mehrphasenströmungen.
https://tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/ifvu/tpg/forschung/workshop
Das vorgestellte Poster befasst sich mit der Charakterisierung eines Ammoniaksprays und dem Lichtstreuverhalten einzelner LNH3-Tropfen. Flüssiges Ammoniak ist ein wichtiger Kandidat für künftige Kraftstoffe. LNH3-Sprays stellen jedoch besondere messtechnische Herausforderungen dar, da die Flash-Boiling-Zerstäubung dichte Sprays, starke Lichtabschwächung, Mehrfachstreuung und Tropfen mit inneren Dampfblasen hervorrufen kann.
Optische Herausforderungen in der LNH3-Spraydiagnostik
Die optische Tropfenmessung in dichten Sprays ist schwierig. Viele etablierte Verfahren beruhen auf Vorwärtsstreuung. Dazu gehören Laserbeugung, Phasen-Doppler-Verfahren und bildgebende Methoden. Unter den Bedingungen dichter Ammoniaksprays kann ihr Einsatz jedoch eingeschränkt sein.
Starke Absorption im Spray, Mehrfachstreuung und eingeschränkter optischer Zugang können die Lichtsignale stören. Infolgedessen können auf Vorwärtsstreuung basierende Verfahren wichtige Information verlieren oder schwer anwendbar werden.
Diese Herausforderungen sind besonders bei Flash-Boiling-LNH3-Sprays von Bedeutung. Unter diesen Bedingungen wird die Flüssigkeit thermodynamisch instabil. Zusätzlich zum primären Strahlzerfall können im Inneren der Tropfen Dampfblasen wachsen. Diese Blasen können dazu führen, dass sich Tropfen ausdehnen und zerplatzen.
TSTOF-Messung zur Analyse von Ammoniaksprays
Um diese Einschränkungen zu überwinden, nutzt die Arbeit ein rückstreubasiertes TSTOF-Messverfahren. TSTOF steht für Time-Shift Time-of-Flight. Das Verfahren erfasst Lichtstreusignale einzelner Tropfen und kommt mit optischem Zugang von nur einer Seite aus.
In der vorgestellten Studie wurde ein TSTOF-basiertes Messgerät eingesetzt, um ein LNH3-Spray unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu charakterisieren. Das Gerät erfasst für jeden Tropfen vier Lichtstreusignale. Aus diesen Signalen lassen sich Tropfengeschwindigkeit und Tropfengröße redundant bestimmen.
Dieser Ansatz ist für die Diagnostik von Ammoniaksprays besonders nützlich, da das erfasste Signal Information über die innere Struktur des Tropfens enthalten kann. Dies ist wichtig, wenn LNH3-Tropfen Dampfblasen oder Gaseinschlüsse enthalten.
Kombination mit Hochgeschwindigkeitsbildgebung
Der Versuchsaufbau umfasste eine Brennkammer, eine TSTOF-Messsonde und Aufnahmen mit einer Ultrahochgeschwindigkeitskamera. Diese Kombination ermöglichte es den Forschenden, die optische Tropfenmessung mit visuellen Beobachtungen des Sprays und der Tropfenkette zu vergleichen.
Das Poster zeigt außerdem eine LNH3-Tropfenkette mit wachsenden Dampfblasen. Mehrere zerplatzte Tropfen sind erkennbar. Diese Beobachtungen helfen, das komplexe Lichtstreuverhalten von LNH3-Tropfen unter Flash-Boiling-Bedingungen zu erklären.
Bedeutung für Mehrphasenströmungen und die Forschung an künftigen Kraftstoffen
Die Charakterisierung von Ammoniaksprays ist wichtig für die Kraftstoffforschung, Verbrennungsstudien, die Diagnostik von Mehrphasenströmungen und die Entwicklung neuer optischer Messmethoden. LNH3-Sprays sind komplex, da sie Zerstäubung, Verdampfung, Blasenwachstum, Tropfenzerfall und starke optische Effekte vereinen.
Die vorgestellte Arbeit zeigt, wie die TSTOF-basierte Rückstreumessung die Untersuchung dieser Prozesse unterstützen kann. Sie eröffnet einen Weg zu zuverlässigerer Tropfencharakterisierung in dichten Sprays mit eingeschränktem optischem Zugang.
Anwendungspotenzial
Dieser Ansatz kann die Forschung zu Ammoniakverbrennung, alternativen Kraftstoffen, Sprayzerstäubung, Diagnostik dichter Sprays und industrieller Prozessüberwachung unterstützen. Zudem trägt er zur Entwicklung optischer Messsysteme für komplexe Sprays bei, bei denen klassische Vorwärtsstreuverfahren an ihre Grenzen stoßen.
Durch die Analyse der Lichtstreuung einzelner LNH3-Tropfen schafft das Verfahren neue Möglichkeiten, das Verhalten von Ammoniaksprays, die innere Blasenbildung und den Tropfenzerfall unter Flash-Boiling-Bedingungen zu verstehen.
