Entwicklung der Dual-Pump-CARS-Spektroskopie zur Untersuchung messtechnisch komplexer Verbrennungssysteme

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Anwendung der Dual-Pump-
CARS-Spektroskopie im Bereich der Verbrennungstechnik. Das Ziel war es hierbei, ein
Messsystem für die Applikation unter besonderen Anwendungsbedingungen, insbesondere
bei messtechnisch komplexen Verbrennungssystemen, bereitzustellen und zu testen.
Die Messung der Temperatur in einer laminaren Diffusionsflamme wurde durch die
Anwendung der DP-CARS-Technik in Verbindung mit der erstmalig bei DP-CARS
eingesetzten Unterdrückung des nichtresonanten Untergrundes experimentell umgesetzt. So
konnte die Beeinflussung des Signals durch Absorption und Emission von C2-Radialen sowie
durch einen erhöhten nichtresonanten Untergrund deutlich reduziert werden und genaue
Messungen der Temperatur auch in stark rußenden Bereichen durchgeführt werden.
Durch eine Kombination der DP-CARS-Methode mit Rotations-CARS wurde ein Messaufbau
vorgestellt, der die Möglichkeit bietet, simultan zur Temperatur die Relativkonzentrationen
verschiedener Moleküle durch Detektion der Vibrationsübergänge von N2, H2 und CO sowie
die Rotationsübergänge von N2, O2, CO und CO2 mit nur einem Detektionssystem zu messen.
Zudem wurde ein neues System zur vereinfachten Bestimmung der Messvolumengröße
entwickelt. Dieses Lasersystem wurde schließlich zur Untersuchung der Verbrennung in
porösen Medien eingesetzt, welche durch die schwierige optische Zugänglichkeit aufgrund
der Stabilisierung der Verbrennung in einer Feststoffmatrix als besondere messtechnische
Herausforderung gilt.
Die Untersuchung der Verbrennung im Porenbrenner erfolgte unter Variationen von
thermischer Leistung und Stöchiometrie und zeigte einen großen Einfluss auf die erreichte
Maximaltemperatur, die sich durch das komplexe Zusammenspiel von Wärmeleitungs- und
Strahlungsanteil sowie der Strömung im Inneren der porösen Matrix ergibt. Die vorliegenden
Untersuchungsergebnisse eröffnen erstmalig die Chance, die vorhandenen Ansätze in der
numerischen Simulation der Reaktion innerhalb der porösen Medien detailliert mit Messdaten
zu vergleichen und dadurch verbesserte Modelle zu entwickeln.