Gefilterte Rayleigh-Streuung zur simultanen Bestimmung von Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern in Gasströmungen

Abstract

Der messtechnischen Charakterisierung von Gasströmungen kommt sowohl in der Luftfahrt als auch in der Energie- und Verfahrenstechnik große Bedeutung zu. Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung eines laseroptischen Messverfahrens, welches auf der spektralen Auswertung gefilterter Rayleigh-Streuung (FRS) basiert und die gleichzeitige Messung von zeitlich gemittelten Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitsfeldern unter den anspruchsvollen Bedingungen moderner Gasturbinenprüfstände ermöglicht. Die hier verfolgte Umsetzung des FRS-Verfahrens basiert auf der sogenannten Frequenzscan-Methode. Durch Erweiterung des aus der Literatur bekannten mathematischen Modells wird eine robuste alternative Modellgleichung abgeleitet. Messabweichungen zur analytischen Lösung eines Freistrahlexperiments werden mittels einer Untergrundkorrektur sowie durch Ersetzen des Standard-Spektrenmodells nach Tenti durch eine kalibrierte analytische Formulierung erheblich reduziert. Die Vielseitigkeit des entwickelten Verfahrens wird durch eine Reihe von Anwendungsbeispielen in Luftströmungen sowie Verbrennungsumgebungen belegt. The characterization of gas flows is of great importance both in aerospace as well as power engineering. The aim of this work is to provide a measuring system based on spectrally filtered Rayleigh scattering (FRS), which allows for a simultaneous determination of time-averaged pressure, temperature and velocity fields under the challenging conditions of modern gas turbine test benches. The implementation of FRS pursued here is based on the so-called frequency scanning method. By extending the underlying mathematical model, a robust alternative to existing approaches is introduced. Deviations between the analytical solution of a jet flow experiment and measured results are significantly reduced in applying a background correction method and in replacing the standard lineshape model by Tenti through a calibrated analytical formulation. The versatility of the developed method is subject to a number of application examples in airflows as well as combustion environments.