Die Dynamik organisierter Strukturen in Poolflammen und Strömungen zeigt sich deutlich in einem holographischen Real-Time-Interferometer vom 810er-Typ.

Kohärentes Licht von einem 2 Watt Argon-Leser mit Äthalon bei Lambda gleich 514,5 Nanometer wird mit einem Strahlenteiler links in zwei Teilstrahlen zerlegt.

Die 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 Fotoplatte mit einer Laserleistung von

100 mW eine Zehntelsekunde 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 Interferenzstreifenmuster werden mit 600 Bildern pro Sekunde und einer Belichtungszeit von einer 2400 Zehntelsekunde abgefilmt.

Rechts die Hochgeschwindigkeitskamera. Die Poolflammen werden innerhalb eines Ausschnittes der Granitplatte justiert. Hier eine Methan-Poolflamme von 4,6 cm Durchmesser. 12-fach

kopiert technisch verzögert, lassen sich bereits einzelne Schwingungsphasen der Flammenfahne erkennen.

Wesentlich mehr Einzelheiten zeigen die 25-fach zeitlich gedehnten Aufnahmen der Interferenzstreifenmuster hinter der Hologrammplatte bei einer Poolflamme von 10 cm Durchmesser. Bei einer Belichtungszeit von einer halben Millisekunde sind sie frei von Bewegungsunschärfen. Nicht reagierende Inertgasströmungen. Helium, 4,6 cm Durchmesser, v.g. 2,25 x 10 · 4 m³ pro Sekunde.

Die Grenzschicht zwischen Inertgas 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. Heißluft, 4,6 cm Durchmesser, v.g. 1,8 x 10 · 4 m³ pro Sekunde.

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.

680°C, 4,6 cm Durchmesser, v.g. 1,8 x 10 · 4 m³ pro Sekunde.

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. Wasserstoff, 4,6 cm Durchmesser, v.g. 3,5 x 10 · 4 m³ pro Sekunde.

Diese sehr heiße Wasserstoff-Poolflamme besitzt eine breite thermische Grenzschicht mit symmetrischen Einschnürungen.

In näher 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 Laserstrahlengang 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 Einzelfasen, die durch zwölffache Kopierung von Einzelbildern entstehen.

Der Vorgang erscheint jetzt 300-fach gedehnt. Derartige Phasenbilder werden auch später gezeigt.

Wasserstoff, 4,6 cm Durchmesser, v.g. 5,5 x 10 · 4 m³ pro Sekunde.

Bei einem größeren Volumen Strom entstehen kreisförmige Ausbuchtungen. Die Zahl der Dichteballen nimmt zu.

Ebenso steigt die Frequenz der thermischen Grenzschicht. Wie bei allen Wasserstoffpoolflammen treten bei einem Pooldurchmesser von 4,6 cm am Poolrand keine Dichteballen auf.

Methan, 4,6 cm Durchmesser, v.g. 1,0 x 10 · 4 m³ pro Sekunde.

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.

Methan, 10 cm Durchmesser, v.g. 2,25 x 10 · 4 m³ pro Sekunde.

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 nun noch lokale Aufrollungen der Grenzschicht.

Dynamik und Zahl der Dichtesenke nehmen stark zu. Die Abmessungen dagegen ab.

Zwischen den Dichteballen treten neue Grenzschichten auf.

Methanol, 4,6 cm Durchmesser. Da die Methanol-Poolflamme keine Rußpartikel bildet, tritt keine sichtbare Kontinuumsemission 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.

Methanol, 10 cm Durchmesser. 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.

Weiter oben in der Flammenfahne löst sich die thermische Grenzschicht bereits auf.

Das gesamte Strukturfeld ist breiter als bei der später gezeigten Enhexan-Poolflamme. Häufig treten relativ schmale Band- und Inselelemente auf.

Enhexan, 4,6 cm Durchmesser. Im Bereich des Flammenhalses treten folgende Strukturelemente auf.

Poolranddichteballen, axiale Dichteballen, thermische Grenzschichtwellen, die Brennstoffgrenzschicht und pilzförmige Flammenfelder.

Die thermische Grenzschichtwelle schwingt mit einer höheren Frequenz als die Brennstoffgrenzschicht.

Die Grenzschicht zeigt bipäriodisches Verhalten. Im Bereich der Flammenfahne treten alt Strukturelemente auf,

Dichtequellen und Dichtesenken, Mehrfachkombinationen, Inselelemente, Bandelemente, thermische Grenzschichtwellen und nur noch vereinzelt leuchtende Flammenfelder.

Die stark aufgerollte thermische Grenzschicht schwingt quasi periodisch

und zeigt in der Flammenfahne triperiodisches Verhalten. Enhexan, 10 cm Durchmesser. Bereits im Flammenhals treten zwischen den Poolranddichteballen

zahlreiche Dichtequellen und Dichtesenken auf. So entsteht ein Flammenpilz mit seiner charakteristischen Dichtestruktur.

Die Grenzschicht schwingt bereits im Flammenhals triperiodisch.

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 Enhexan entstehen beim Verbrennungsprozess kleine Rußwölkchen, die schließlich zerfallen. Die Rußwölkchen lassen sich in der Zeitdehnung besonders gut verfolgen.