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Poolflammen - Dynamik dissipativer Strukturen

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Die Dynamik organisierter Strukturen in Poolflammen und Strömungen zeigt sich besonders deutlich in einem holographischen Real-Time-Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ.
Kohärentes Licht von einem Zwei-Watt-Argon-Laser mit Etalon bei Lambda = 514,5 nm wird mit einem Strahlenteiler - links - in zwei Teilstrahlen zerlegt. Der reflektierte Teilstrahl wird auf 25 cm Durchmesser aufgeweitet und durchstrahlt als Objektbündel die Flamme.
Der andere Teilstrahl fällt als Referenzbündel von 8 cm Durchmesser von links auf die Hologrammplatte. Die rekonstruierte Vergleichswelle interferiert unmittelbar hinter der Hologrammplatte ständig mit der Objektwelle. Das Hologramm wurde auf einer Photoplatte
mit einer Laserleistung von 100 Milliwatt 1/10 s belichtet und nach der Entwicklung exakt repositioniert.
Interferenzstreifen treten auf, sobald die Objektwelle deformiert wird, hier durch die Flamme.
Wegen der hohen Anforderungen an die Schwingungsfreiheit des Strahlengangs stehen die optischen Bauteile auf einer Granitplatte mit pneumatischer Federung. Die überlagerten Bilder der Poolflammen und der gleichzeitig beobachteten Interferenz-Streifenmuster werden mit 600 Bildern pro Sekunde und einer Belichtungszeit von einer Zweitausend-Vierhundertstel-Sekunde abgefilmt. Rechts die Hochgeschwindigkeitskamera.
Die Poolflammen werden innerhalb eines Ausschnittes der Granitplatte justiert. Hier eine Methanpoolflamme von 4,6 cm Durchmesser.
12fach koplertechnisch. verzögert lassen sich bereits einzelne Schwingungsphasen der Flammenfahne erkennen.
Wesentlich mehr Einzelheiten zeigen die 25fach zeitlich gedehnten Aufnahmen der Interferenzstreifenmuster
Aufnahmen der Interferenzstreifen Muster hinter der Hologrammplatte bei hinter der Hologrammplatte bei einer Poolflamme von 10 cm Durchmesser. sind sie frei von Bewegungsunschärfen. Nicht reagierende Inertgasströmungen.
Die Grenzschicht zwischen Inert-Gas und Umgebungsluft erkennt man an den weitgehend parallelen Interferenzstreifen: eine Folge des geänderten Brechungsindexes. Es treten Einschnürungen und Ausbuchtungen auf. Weiter oberhalb nehmen die Abstände zwischen den Interferenzstreifen zu, denn die Dichtegradienten nehmen ab. Einzelne axiale Dichtesenken sind die Folge lokaler Dichtezunahmen bei Austauschvorgängen mit der Umgebungsluft. Die Dissipation nimmt mit der Höhe zu. In heißer aufsteigender Luft bleibt die thermische Grenzschicht gegenüber der kälteren Luft der Umgebung fast über die gesamte Höhe von 25 cm erhalten. Erst viel weiter oben ist sie stark gefaltet. Hier ist infolge der Abkühlung die Anzahl der Dichtesenken viel größer als bei ausströmendem Helium. Dicht über dem Poolrand bilden sich relativ viele Dichtesenken. Der Abstand der Interferenzstreifen ist infolge der verhältnismäßig kleinen Dichtegradienten relativ groß. Die thermische Grenzschicht ist wenig ausgeprägt. Reagierende Strömungen.
Diese sehr heiße Wasserstoff-Poolflamme besitzt eine breite thermische Grenzschicht mit symmetrischen Einschnürungen. In Nähe der Flammenachse erkennt man einzelne axiale Dichteballen oder Zwillinge. Weiter oben treten einzelne Dichteballen auch innerhalb der thermischen Grenzschicht auf. Nach Absenken der Flamme im Laser-Strahlengang beobachtet man im Bereich oberhalb von 25 cm Höhe ein stark verbreitertes Dichtefeld mit vorwiegend flachen Einschnürungen. Die thermische Grenzschicht ist nur lokal stark aufgerollt, mit einer großen Zahl von Dichtequellen und Dichtesenken. Noch deutlicher wird dies in den Einzelphasen, die durch 12fache Kopierung von Einzelbildern entstehen. Der Vorgang erscheint jetzt 300fach gedehnt.
Derartige Phasenbilder werden auch später gezeigt. Bei einem größeren Volumenstrom entstehen kreisförmige Ausbuchtungen: Die Zahl der Dichteballen nimmt zu. Ebenso steigt die Frequenz der thermischen Grenzschicht. Wie bei allen Wasserstoff-Poolflammen treten bei einem Pool-Durchmesser von 4,6 cm am Poolrand keine Dichteballen auf.
Bei der Methanpoolflamme ist die thermische Grenzschicht ebenfalls stark gefaltet, jedoch unsymmetrisch. Am Poolrand treten Dichteballen auf, ebenso axiale Dichteballen im Bereich der leuchtenden Flamme. Weitere Dichteballen entstehen innerhalb der thermischen Grenzschicht, die mit einer relativ kleinen Frequenz schwingt. Oberhalb von 25 cm sind die Strukturen stark verbreitert mit rasch zunehmender Dynamik und Anzahl. Die Einschnürungen der thermischen Grenzschicht sind hier flacher. Bei einem größeren Pooldurchmesser liegen die Einschnürungen der thermischen Grenzschicht tiefer. Ihre Schwingungsfrequenz ist niedriger. Die axialen Dichteballen vereinigen sich nicht mehr zu Zwillingen. Der hell leuchtende Flammenpilz bewirkt eine Teilrotation der Dichtequellen. Im oberen Bereich der Flamme ist das strukturierte Feld sehr stark verbreitert und zeigt nur noch lokale Aufrollungen der Grenzschicht. Dynamik und Zahl der Dichtesenken nehmen stark zu, die Abmessungen dagegen ab. Zwischen den Dichteballen treten neue Grenzschichten auf. Da die Methanol-Poolflamme keine Russpartikel bildet, tritt keine sichtbare Kontinuums-Emission auf. Eine sehr schwache blaue Emission von Radikalen wird von dem Laserlicht überstrahlt. Die thermische Grenzschicht schwingt monoperiodisch. Sie ist sehr breit und stark eingeschnürt. Entsprechend nähern sich die Dichteballen am Poolrand der Flammenachse. Typisch ist ein einzelner aufsteigender axialer Dichteballen. Im oberen Teil der Flamme ist die thermische Grenzschicht sehr dünn und schwingt ebenfalls monoperiodisch. Auch hier treten bedeutend mehr Dichtequellen und -senken auf als im unteren Abschnitt der Flamme. Auffallend ist der zunehmende Abstand zwischen den Interferenzstreifen: Ein Zeichen für abnehmende Dichtegradienten. Diese Poolflamme ist ebenfalls charakterisiert durch die starke Verbreiterung der thermischen Grenzschicht, die hier mit geringerer Frequenz schwingt als zuvor. Die Einschnürung ist groß und die Anzahl von Dichtequellen und -senken gering.
stark aufgerollte thermische Grenzschicht schwingt quasiperiodisch und Weiter oben in der Flammenfahne löst sich die thermische Grenzschicht bereits auf. Das gesamte Strukturfeld ist breiter als bei der später gezeigten n-Hexan-Poolflamme. zwischen den Poolrand dichte Bahnen zahlreiche Dichtequellen und Häufig treten relativ schmale Band- und Inselelemente auf. Im Bereich des Flammen-Halses treten folgende Strukturelemente auf: Poolrand-Dichteballen, axiale Dichteballen, thermische Grenzschichtwellen, die Brennstoff-Grenzschicht und pilzförmige Flammenfelder. Die Thermische Grenzschichtwelle schwingt mit einer höheren Frequenz als die Brennstoff-Grenzschicht. Die Grenzschicht zeigt biperiodisches Verhalten. Im Bereich der Flammen-Fahne treten als Strukturelemente auf: Dichtequellen und Dichtesenken, Mehrfachkombinationen, Insel-Elemente, Band-Elemente, thermische renzschichtwellen und nur noch vereinzelt leuchtende Flammenfelder. Die stark aufgerollte thermische Grenzschicht schwingt quasi periodisch und zeigt in der Flammenfahne tri-periodisches Verhalten. Bereits im Flammenhals treten zwischen den Poolrand-Dichteballen zahlreiche Dichtequellen und Dichtesenken auf. So entsteht ein Flammenpilz mit seiner charakteristischen Dichtestruktur. Die Grenzschicht schwingt bereits im Flammenhals tri-periodisch. Weiter oben zeigt die thermische Grenzschicht viele lokale Aufrollungen mit abnehmender Frequenz. Dynamik und Zahl der Dichtesenken nehmen zu. Die Lebensdauer und die geometrischen Abmessungen nehmen dagegen ab. Es treten immer mehr Strukturelemente in Form von Inseln und Bändern auf. In n-Hexan entstehen beim Verbrennungsprozess kleine Russwölkchen, die schließlich zerfallen. Die Russwölkchen lassen sich in der Zeitdehnung besonders gut verfolgen.
Galle <Sekret>
Computeranimation
Experiment innen
Flamme
Experiment innen
Flamme
Experiment innen
Experiment innen
Allylverbindungen
Experiment innen
Computeranimation
Traubensaft
Allylverbindungen
Infiltrationsanästhesie
Reagierende Strömung
Dichtegradient
Helium
Einschnürung
Zwilling <Kristallographie>
Flamme
Gin
Wassermenge
Computeranimation
Insel
Allylverbindungen
Radikalfänger
Dichtegradient
Institut für Technische Chemie
Magnetometer
Einschnürung
Stoffdichte
Lebensdauer
Vorlesung/Konferenz
Institut für den Wissenschaftlichen Film
Flamme
Zwilling <Kristallographie>
Vorlesung/Konferenz

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Poolflammen - Dynamik dissipativer Strukturen
Alternativer Titel Pool Flames - Dynamics of Dissipative Structures
Autor Kaufmann, Martin
Schönbucher, Axel
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung - keine Bearbeitung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt in unveränderter Form zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.3203/IWF/E-3113
IWF-Signatur E 3113
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1990
Sprache Deutsch
Produzent IWF
Produktionsjahr 1989

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 218 m ; F, 20 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Chemie
Abstract Simultanaufnahmen von Interferenzstreifenmustern und Strahldichtemustern mit einem holographischen Real-Time-Durchlicht-Interferometer. Dynamik organisierter Dichtestrukturen in Poolflammen organischer Flüssigkeiten und Gase. Wärme-, Stoff- und Impulsaustausch. Turbulenzentstehung. Zeitdehnung 600 B/s.
Schlagwörter Verbrennung
Turbulenzentstehung
Transportphänomene
Tankflamme
Strahlung / sichtbar
Simulation
Real-Time-Analyse
organisierte Strukturen
Massendichtemuster
Laserlicht
Inertgas
Gase
Flüssigkeiten
Durchlicht
dissipative Muster
Mach-Zehnder-Interferometer
Konvektion
Holographie
dissipative Struktur
Poolflamme
Strömung, turbulente

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