H2 Q-Zweig CARS-Thermometrie bei hohem Druck : Untersuchungen zum Einfluss von Linienbreiten

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses der molekularen Linienbreiten auf die Genauigkeit der Temperaturbestimmung mittels Kohärenter Anti-Stokes Raman-Streuung (CARS) an H2 bei hohem Druck. Dieses Lasermessverfahren eignet sich insbesondere für die Charakterisierung der H2-O2 Verbrennung in Raketen-Modellbrennkammern. Die Temperaturgenauigkeit der CARS-Thermometrie basiert im wesentlichen auf den molekularen Linienbreiten des Indikatormoleküles. Raman-Linienbreiten beruhen bei hohem Druck auf Stoßeinflüssen der im Messvolumen vorhandenen Spezies auf das Indikatormolekül und sind darüber hinaus temperatur- und dichteabhängig. In dieser Arbeit wurde eine H2 CARS Apparatur aufgebaut, um Messungen unter bekannten und stabilen Bedingungen durchzuführen, die durch einen Konturfit der CARS-Spektren ermittelte Temperatur mit den Ergebnissen unabhängiger Referenzverfahren zu vergleichen und so die Genauigkeit des untersuchten Verfahrens zu ermitteln. Aufgrund der extremen Eigenschaften (hohe adiabatische Flammentemperatur und Flammengeschwindigkeit) von vorgemischten Hochdruck-Wasserstoff-Sauerstoff-Flammen und den daraus resultierenden technischen Beschränkungen beim Betrieb, wurden Messungen an Wasserstoff-Luft-Flammen durchgeführt. Der hier zusätzlich vorhandene Stickstoff steht dann als weiterer Temperatur-Indikator für die benötigte Referenz mittels der etablierten N2 CARS-Thermometrie zur Verfügung, ist aber auch Stoßpartner für H2 und nimmt somit Einfluss auf die Linienbreiten und die Genauigkeit von H2 CARS. Um den Einfluss des N2 auf H2 CARS separat zu bestimmen, wurden als erster Schritt Zellenmessungen (bis 50 bar) an bimolekularen Mischungen H2-N2 durchgeführt. Danach fanden Messungen (bis 15 bar) an H2-Luft Flammen in einem Hochdruckbrenner für flache, vorgemischte Flammen statt. In beiden Fällen, den Zellenmessungen und den Messungen am Brenner, wurden Übereinstimmungen der H2 CARS-Temperatur mit der Referenz von ca. 2-3% gefunden. Unter Vernachlässigung oder Änderung verschiedener Linienbreitenanteile bei der Auswertung konnte durch theoretische Studien gezeigt werden, dass der Einfluss der Linienbreiten auf die H2 CARS-Thermometrie signifikant ist. Daraus folgt aber auch, dass ein weiterer wichtiger Parameter die Gaszusammensetzung ist, da diese direkt die Linienbreitenverteilung bestimmt. Weiterführende Arbeiten müssen somit auf die gleichzeitigen Aufnahme von CARS Spektren und der Bestimmung der Gaszusammensetzung zielen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass unter Verwendung der korrekten Linienbreitenverteilung, die H2 CARS Thermometrie eine zuverlässige und genaue Methode zur Bestimmung der Temperatur bei Hochdruck-Wasserstoff-Flammen ist.

The aim of this work was to analyze the influence of the molecular linewidths on the accuracy of the temperature determination by Coherent Anti-Stokes Raman-Scattering (CARS) on H2 at high pressure. This method is well suited for the characterization of H2-O2 combustion in rocket test engines. The temperature accuracy of CARS is mainly based on the molecular linewidths of the indicator molecule. Collisions of the indicator with species present in the measuring volume influence the Raman-linewidths, which furthermore depend on temperature and density. A H2 CARS apparatus was set up in this work to perform measurements under well known and stable conditions, to determine the temperature by a contour fit of the spectral shape and to deduce the temperature accuracy by comparing the results with independent reference methods. Due to the extreme properties of premixed high pressure H2-O2 flames (high adiabatic temperature and flame velocity) and the resulting technical limitations on the operation, H2 CARS measurements were performed on hydrogen-air flames. The additionally present nitrogen is now available as temperature indicator for the well established N2 CARS thermometry as reference, but is also a colliding partner for H2 and therefore have influence on the H2 linewidths and on the H2 CARS accuracy. To determine the influence of N2 on H2 CARS separately, cell measurements (up to 50 bar) were performed first on bimolecular H2-N2 mixtures. After that, measurements on H2-air flames (up to 15 bar) in a special burner for flat, premixed flames were done. Both cell and burner measurements gave an agreement between H2 CARS and reference temperature of about 2-3%. By ignoring or changing several parts of the line broadening coefficients in the evaluation process, it was shown that the influence of the linewidths distribution on the CARS temperature is significant. It also follows that the gas composition is another important parameter, because it directly determines the linewidth distribution. Therefore additional work must be performed on the simultaneous determination of the related gas composition. The results if this work show that H2 CARS thermometry is a reliable and accurate method to measure temperatures in high pressure hydrogen flames, if the correct linewidths are used.