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.