Shocktrain-Turbulenz in divergenten Kanälen

Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts mehrerer Universitäten wurde ein neuartiges Verfahren zur gasdynamisch initiierten Herstellung von nicht aggregierten Nanopartikeln entwickelt. Der Vorteil dieser Methode gegenüber etablierten Herstellungsverfahren wie z. B. Flammen- und Heißwandreaktoren liegt vor allem darin, dass der Einfluss unterschiedlicher Prozessgrößen auf die Partikelbildung getrennt voneinander untersucht werden kann und der kontinuierliche Prozess einfach auf den industriellen Maßstab skalierbar ist. Die Initiation der Verbrennung der Reaktionsgase erfolgt als Teil dieses neuartigen Prozesses über eine Serie von Verdichtungsstößen, einen sogenannten Shocktrain, welcher Gegenstand dieser Arbeit ist. Der Shocktrain entsteht in einem engen Kanal durch die wiederholte Wechselwirkung der Kernströmung mit der sie umgebenden Unterschallgrenzschicht. Durch die beengte Strömungsgeometrie bildet sich, im Gegensatz zu Düsen mit einem wesentlich größeren Öffnungswinkel, stromab des ersten Stoßes ein sogenannter aerodynamischer Düsenhals aus, der die Strömung wieder auf Überschallbedingungen expandiert und die Bildung eines weiteren Stoßes hervorruft. Im weiteren Verlauf wird die Kernströmung immer weiter eingeschnürt und der oben beschriebene Vorgang wiederholt sich, bis die wachsenden Unterschallgrenzschichten die Mittellinie des Kanals erreichen und sich dort eine turbulente Mischungszone bildet. Ziel dieser Arbeit ist es, das Strömungsphänomen des Shocktrains und vor allem die instationären Vorgänge im Stoßbereich wie z. B. Stoßoszillation und Turbulenzentwicklung zu untersuchen. Die Untersuchung des Shocktrains erfolgt mittels Druckmessungen, zeitlich hochauflösenden Schlierenaufnahmen und Hitzdrahtmessungen. Begleitet werden diese durch numerische Rechnungen und theoretische Überlegungen. Basierend auf Ergebnissen aus der Literatur werden wichtige Einflussparameter auf die Shocktrainstruktur wie z. B. Düsenöffnungswinkel, Vorstoßmachzahl, Reynoldszahl und Impulsverlustdicke der einströmenden Grenzschicht bezüglich ihres Einflusses auf die instationären Vorgänge im Stoßbereich und der stromab folgenden Mischungszone untersucht. Die hier durchgeführten Arbeiten bieten einen detaillierten Einblick in die Entwicklung der Turbulenz vom Eintritt des Gases in die Anlage über die ungestörte Überschallströmung und das Stoßgebiet bis in den Reaktionsbereich weit stromab des Shocktrains. Die erhaltenen experimentellen Ergebnisse werden mit theoretischen Ansätzen verglichen und es werden Methoden zur Berechung der Strömung basierend auf den Einströmbedingungen präsentiert.