Velocimetry-based pressure information for spray analysis – novel experimental, processing and evaluation strategies

In der vorliegenden Arbeit wurde der Spraytransport von komplexen Benzindirekteinspritzungssprays (GDI) mittels auf Geschwindigkeitmessung basierter Druckauswertung untersucht.
Für diesen Zweck wurden neue Versuchs-, Verarbeitungs- und Auswertestrategien eingeführt, um eine Druckauswertung der Spray-induzierten Strömung zu befähigen und deren Möglichkeiten auszuweiten. Dies umfasst unter anderem ein statistisches Verfahren auf Basis der Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) Gleichungen und Ensemble-Mittelung, welche die Druckauswertung transienter, statistisch stationärer Strömungen mittels konventioneller Particle Image Velocimetry (PIV) ermöglicht.
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Darüber hinaus wurde eine neuartige Technik namens Dual-Plane-Stereo-Astigmatismus (DPSA) entwickelt, die die Auswertung momentaner Druckfelder und damit die Analyse einzelner Einspritzereignisse unter Verwendung eines stereoskopischen Aufbaus und einer einzigen Lichtquelle ermöglicht.
Abschließend wurde die Methode der Physics-Informed Neural Networks (PINNs) erfolgreich aus dem Bereich des Deep Learnings in die experimentelle Strömungsmechanik und Spray-Analyse übertragen. Das PINN-Verfahren weitet die Möglichkeiten der bisherigen auf Geschwindigkeitsmessung basierenden Druckauswertung aus und ermöglicht die Auswertung von bislang nicht auswertbaren Strömungsbereichen, sowohl in Raum und Zeit.
Unter Verwendung der beschriebenen Methoden wurde die Wechselwirkung zwischen Spray und Umgebungsgasströmung für unterschiedliche Betriebsbedingungen und Sprayauslegungen untersucht. Es zeigte sich, dass der Impulsaustausch mit höherem Einspritzdruck, Gasdichte, Kraftstofftemperatur, größerer Relativgeschwindigkeit, Spray-Gas-Grenzfläche, Sprayexpansion und stärkerer Zerstäubung bzw. Flash-Boiling zunimmt.
Als eine wesentliche Erkenntnis wurde festgestellt, dass die Ablenkung von Sprays bzw. das Phänomen der Strahl-zu-Strahl-Wechselwirkung und Spraykontraktion auf einen Nettoimpuls zurückzuführen ist, der auf einzelne Spraykeulen infolge von induzierten Druckkräften wirkt.
In diesem Zusammenhang wurde das Vorhandensein eines Niederdruckgebiets im Zentrum von Mehrlochsprays experimentell bestätigt. Es wurde aufgezeigt, dass das Ausmaß der Strahl-zu-Strahl-Wechselwirkung und der Spraykontraktion durch eine enge Spritzlochanordnung und -ausrichtung, eine starke Zerstäubung und ein erhöhtes Tropfen-Folgeverhalten begünstigt wird.

In the present thesis, the spray transport of complex gasoline direct injection (GDI) sprays was investigated by means of velocimetry-based pressure evaluation.
For this purpose, novel experimental, processing and evaluation strategies were introduced to qualify pressure evaluation of spray-induced flow and expand its capabilities. This includes a statistical approach based on the Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) equations and ensemble averaging that allows for velocimetry-based pressure evaluation of unsteady, statistically stationary flows by means of standard Particle Image Velocimetry (PIV). ... mehr
Further, a novel technique referred to as Dual-Plane Stereo Astigmatism (DPSA) was developed which enables the evaluation of instantaneous pressure fields and thus the analysis of individual injection events using a stereoscopic setup and a single light source.
Lastly, the data-driven modelling technique of Physics-Informed Neural Networks (PINNs) was successfully adopted from the field of deep learning to experimental fluid mechanics and spray analysis. The technique of PINNs extends the limits of current velocimetry-based pressure evaluation and enables the evaluation of yet hidden flow regimes, both in space and time.
Using the developed methods, the interplay between spray and ambient gas flow was studied for varying operating conditions and spray layouts. It was shown that the momentum exchange increases with higher injection pressure, gas density, fuel temperature, greater relative velocity, larger spray-gas interface, spray expansion, stronger atomisation and flash-boiling.
As a major finding, it was revealed that the deflection of spray respectively the phenomena of jet-to-jet interaction and spray contraction is traced back to a net momentum exerting on individual spray plumes as a result of pressure forces that are induced by the interplay between spray and ambient gas flow.
In this context, the presence of the so far hypothesised lower pressures in the centre area of multi-hole sprays was experimentally confirmed. It was shown that the effect of jet-to-jet interaction and spray contraction is facilitated by a narrow spray layout and targeting, strong atomisation and enhanced droplet tracking behaviour.