Um eine bessere Vorstellung von der Art und Gestalt der Fluidexpansionen zu bekommen, wurden in Zusammenarbeit mit M. HEGER und mit Unter-stützung von HR. SCHLUCKEBIERvon der Firma HENSELDigitalbilder von den Expansionen gemacht. Dazu wurde das Baratron, das unterhalb des IR-Strahls montiert ist, durch ein zweites Glasfenster ersetzt. Dadurch war es
möglich, die Kamera (NIKON D70, Objektiv: Sigma 17–70 mm, f/2,8–4,5) unterhalb des Lichtweges zu positionieren, während von oben ein Blitzge-rät die Expansion ausgeleuchtet hat. Damit der Kontrast zwischen Hinter-grundbild und der Expansion so groß wie möglich ist, wurde zum Einen ein Ringblitz verwendet, durch den in der Mitte gegen einen schwarzen Hinter-grund durchfotografiert wurde, und zum Anderen wurde für sehr kurze Be-lichtungszeiten (<1/1600 s) ein nicht ringförmiger Hochleistungsblitz und ein Blitzformer zur Kontrastmaximierung benutzt. Dadurch sind die Ex-pansionskerne in fast allen Bildern überbelichtet und etwaige Helligkeits-unterschiede auf den Bildern zumindest nicht allein auf unterschiedliche Partikeldichten in der Expansion zurückzuführen. Die Kamerablende war auf Grund der großen Lichtmengen geschlossen (f/16,0–36,0). Eine genaue Zuordnung der erhaltenen Bilder zu bestimmten Scanzeitpunkten texp ist allerdings nicht möglich, da die Synchronisation zwischen Computersteu-erung und Kamera eine zeitliche Unschärfe von ungefähr 10 ms besitzt.
1 cm
Abbildung 3.12.:Links: Hintergrund. Rechts: texp ≈0±10 ms.
Alle gezeigten Bilder sind Differenzbilder, bei denen ein zeitnah aufgenom-mer Hintergrund ohne Expansion abgezogen wurde, damit der Kontrast größer wird und der Expansionskegel noch besser zu erkennen ist. Alle ge-zeigten Bilder besitzen eine Länge von ca. 9 cm und eine Breite von ca. 6 cm.
Abb. 3.11 zeigt den Unterschied zwischen beiden Düsengenerationen. Es zeigt sich, dass die Expansion durch die MICROFLUIDS-Düse etwas wei-ter auffächert (Öffnungswinkel α ≈120◦) als durch die Ganzmetalldüse (α ≈100◦). Dies hat seinen Ursprung in der Konstruktion der
Düsenkap-1 cm
Abbildung 3.13.:Links:texp≈0±10 ms. Rechts:texp≈0±10 ms.
1 cm
Abbildung 3.14.:Links:texp≈5±10 ms. Rechts:texp≈5±10 ms.
1 cm
Abbildung 3.15.:Links: texp ≈30±10 ms. Rechts:texp ≈125±10 ms.
pe (vgl. Abb. 3.7 und Abb. 3.8), die in ihrer ursprünglichen Variante hinter der Düse noch einen 1 mm langen Öffnungszylinder mit einem Durchmes-ser von 1 mm besitzt und dann endet, wodurch die Expansion beim Austritt aus der Kappe frei ist, während in der zweiten Variante durch die Einboh-rung die Expansion konisch geführt wird.
1 cm
Abbildung 3.16.:Links:θ0 = 75◦C. Rechts:θ0 = 90◦C.
texp≈30±10 ms.
1 cm
Abbildung 3.17.:Links:θ0= 105◦C. Rechts:θ0 = 120◦C.
texp≈30±10 ms.
Die Bildserie der Abbildungen 3.12–3.15 zeigt einen Expansionsverlauf von n-Pentan bei einer Stagnationstemperatur vonθ0= 150◦C und einem Stag-nationsdruck von p0= 100 bar mit einer Pulslänge tp= 70 ms durch die Ganzmetalldüse bei offenem Zugschieber. Die Serie wurde mit einer Belich-tungszeit von 5 ms aufgenommen, was für eine zusätzliche Unschärfe bei der Zeitpunktsbestimmung sorgt, sowie die Bilder verschmiert. Dennoch ist gut zu sehen, wie die Expansion zu Beginn des Pulses (texp≈0–20 ms) noch sehr eng ist, da sich das Totvolumen noch nicht komplett gefüllt hat. Der Öffnungswinkel α der Expansion beträgt ungefähr 40◦ (Abb. 3.13). Wenn das Totvolumen komplett gefüllt und auch dort annähernd ein Druck von 100 bar erreicht ist (texp≥20 ms), weitet sich der Expansionskegel auf bis zu 100◦, näherungsweise dem Konus der Düsenkappe entsprechend, auf (Abb. 3.14). Nach dieser Aufweitung ist die Expansion stabil (texp= 20–
70 ms) und es können keine Unterschiede zwischen unterschiedlichen Ex-pansionszeitpunkten erkannt werden, weshalb auf die Darstellung weiterer Bilder verzichtet wird. Dies kann auch an der Belichtungszeit von 5 ms liegen, die mögliche Unterschiede herausmittelt. Nach Ende des Pulses wird das Totvolumen langsam entleert und der Expansionskegel schrumpft (α≈60◦) (Abb. 3.15 rechts). Bei den genannten Expansionsbedingungen ist die Expansion als diffuser Nebel abgelichtet, der deutlich über den Blitzbe-reich hinausgeht, wodurch der hintere Teil der Expansion — in den Bildern immer am rechten Rand — nur schwach ausgeleuchtet ist.
1 cm
Abbildung 3.18.:Links:θ0 = 135◦C. Rechts:θ0= 150◦C.
texp≈30±10 ms.
Neben dem zeitlichen Verlauf wurde eine Fotoserie bei unterschiedlichen Stagnationstemperaturen (θ0= 50–150◦C) aufgenommen (Abb. 3.16–3.19).
Dabei wurde zusätzlich unter Erhöhung der Blitzleistung die Belichtungs-zeit auf 0,625 ms verkürzt. Bei kalten Expansionen (Abb. 3.19) kann im Kern ein dichterer Flüssigkeitsstrahl erkannt werden, der mit steigender Temperatur immer stärker auffächert. Bei einer Stagnationstemperatur von θ0 = 50 ◦C ist der Flüssigkeitsstrahl ungefähr einen Zentimeter lang (Abb. 3.19), bevor er divergiert. Zusätzlich wird die Expansion bei tiefen Temperaturen strukturierter in dem Sinne, dass der Expansionskegel nicht mehr diffus erscheint, sondern durchfliegende Partikel als Striche auf den Bildern sichtbar werden (Abb. 3.20). Aus der Mindeststrichlänge kann eine untere Schranke von etwa 10 m s−1 für die Partikelgeschwindigkeit v ab-geleitet werden. Die tatsächliche Partikelgeschwindigkeit dürfte deutlich darüber liegen (s. Kap. 7.2.3).
1 cm
Abbildung 3.19.:θ0= 50◦C; Belichtungszeit: 0,125 ms;texp≈30±10 ms.
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Abbildung 3.20.:entspricht Abb. 3.16 links mit erhöhtem Kontrast.
N 2 O
Die ersten Tests der in Kapitel 3 beschriebenen Apparatur wurden mit gepulsten Gasexpansionen durchgeführt. Dabei fiel die Wahl auf das gut charakterisierte N2O [32, 34, 36, 74–90], um atmosphärische Interferenzen (CO2) zu vermeiden. Unter den Schwingungsbanden hoher IR-Intensität wurde die N–N-Streckschwingung ν3 und ihre Kombination mit der N–O-Streckschwingung (ν1+ν3) ausgewählt. Expansionen von reinem N2O bei Stagnationsdrücken bis zu 50 bar (pvap(T= 293 K)≈51 bar) wurden durch N2O/He-Mischungen bis zu 100 bar ergänzt.
Es wurden Mischungen in den Partialdruckverhältnissen (N2O:He) 1:1, 1:3, 1:9, 1:19 und 1:99 in Edelstahlflaschen vorgelegt. Mit zunehmender Verdün-nung nimmt die Rotationstemperatur der Monomere (TR) und die Cluster-temperatur (TCl) ab [32, 34], allerdings auch die Signalstärke.
Nach den Untersuchungen der Druck- und Verdünnungsreihen wurden als Abschluss der N2O-Messungen Expansionen aus dem nah- und überkriti-schen Zustand durchgeführt, um auch die Temperatursteuerung adäquat testen zu können.