Three-dimensional thermometry and velocimetry in fluid flows using thermographic phosphor tracer particles

Abstract

In turbulent fluid flows, heat and mass transfer are coupled over a wide range of time and length scales. Considering their three-dimensional (3D) nature, their investigation requires simultaneous 3D temperature and velocity measurements. While the latter are readily possible, combined thermometry is difficult. To measure both quantities, several techniques have been developed using seeded tracer particles, for example thermographic phosphors. Due to their thermal and chemical stability, they can be used over a wide temperature range and in various environments. In this thesis, a technique for instantaneous 3D fluid flow thermometry and velocimetry is developed based on individual seeded phosphor tracer particles (ZnO). Upon volumetric illumination of a flow seeded with these particles using green and UV lasers, both their temperature dependent luminescence emissions and scattered light are recorded from multiple camera perspectives. Each particle acts as a discrete sensor for flow velocity through 3D position tracking and temperature by ratiometric phosphor thermometry. The technique is demonstrated in a turbulent gas jet heated to 433K at a bulk velocity of 34m/s (Re ∼ 4600). After the applicability of the developed technique is proven, the number of discrete 3D measurement points is increased by introducing cutting edge algorithms for processing macroscopic images of microscopic particles. This includes volume self-calibration, iterative particle reconstruction, and Shake-The-Box for camera calibration, 3D particle position reconstruction, and tracking. Eight different image segmentation schemes are explored to retrieve imaged luminescence signals from individual particles for ratiometric phosphor thermometry and a 3D flat field correction is implemented to correct calculated intensity ratios. Single-shot results with a spacing of 900 μm and time-averaged results exceeding 30 points/mm3 are obtained with an estimated temperature precision of 6% and velocity precision of 13%. This technique will be especially useful for investigations of non-isothermal turbulent gas flows and for the validation of simulation submodels.

In turbulenten Fluidströmungen sind die Wärme- und Stoffübertragung über viele Zeit- und Längenskalen miteinander gekoppelt. Zu ihrer Untersuchung sind daher gleichzeitige dreidimensionale (3D) Temperatur- und Geschwindigkeitsmessungen erforderlich. Während Letztere mittels einiger partikelbasierter Techniken möglich sind, ist eine gleichzeitige Temperaturmessung herausfordernd. Kürzlich entwickelte Techniken nutzen zur Messung beider Größen spezielle Partikel, wie thermografische Phosphore. Dank hoher thermischer und chemischer Beständigkeit lassen sich diese über einen weiten Temperaturbereich und in vielen Umgebungen einsetzen. In dieser Arbeit wird eine Technik zur gleichzeitigen 3D-Messung von Strömungstemperatur und -geschwindigkeit entwickelt, welche auf in die Strömung eingebrachten Phosphor-Partikeln (ZnO) basiert. Nach Beleuchtung mittels grünen und UV Lasern wird die von den Partikeln emittierte temperaturabhängige Lumineszenz und das an ihnen gestreute Licht aus mehreren Kameraperspektiven aufgenommen. Durch die Verfolgung der 3D-Position und ratiometrischer Phosphorthermometrie fungiert jeder Partikel als diskreter Geschwindigkeits- und Temperatursensor. Die Technik wird in einem auf 433K geheizten Gasjet bei einer mittleren Geschwindigkeit von 34m/s (Re ∼ 4600) demonstriert. Anschließend werden neue Algorithmen zur Verarbeitung der makroskopischen Bilder mikroskopischer Partikel eingeführt. Dies umfasst Volume Self-Calibration, Iterative Particle Reconstruction und Shake-The- Box zur Kamerakalibrierung, 3D-Rekonstruktion von Partikelpositionen und ihrer Verfolgung. Zudem werden acht Algorithmen zur Segmentierung einzelner Partikelbilder getestet und ein 3D-Korrekturfeld für die Lumineszenzauswertung eingeführt. Es werden instantane Ergebnisse mit Abständen einzelner Messpunkte von 900 μm und zeitgemittelte Ergebnisse mit mehr als 30 Messpunkten/mm3 mit Messunsicherheiten von 6% (Temperatur) und 13% (Geschwindigkeit) erreicht. Diese Technik wird für Untersuchungen turbulenter und insbesondere nicht-isothermer Gasströmungen und zur Validierung von Simulationsmodellen nützlich sein.