SLIPI Droplet Sizing - Spraydiagnostik der nächsten Generation

SLIPI Droplet Sizing ist eine bahnbrechende Entwicklung, die SLIPI-Bildgebung und Polarisationsverhältnis-Techniken für eine genaue Analyse der Tröpfchengröße kombiniert, ohne dass komplexe UV-Laseranlagen oder fluoreszierende Marker erforderlich sind.

SLIPI Droplet Sizing baut auf SLIPI auf, indem sie strukturierte Beleuchtung mit Polarisationsverhältnis-Bildgebung kombiniert, um eine markerfreie Tröpfchengrößenbestimmung in optisch dichten Sprühnebeln zu ermöglichen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Bildgebung mit einem gleichmäßigen Laserlichtschnitt nutzt SLIPI einen räumlich modulierten Laserlichtschnitt zur Beleuchtung der Messebene. Licht, das von den Tröpfchen nur einmal gestreut wird, behält diese Modulation bei, während mehrfach gestreutes Licht die Modulationsinformationen weitgehend verliert. Die SLIPI-Verarbeitung extrahiert das modulierte Signal und unterdrückt Einflüsse aus der Mehrfachstreuung, wodurch selbst in optisch dichten Sprühnebeln ein verbesserter Bildkontrast erzielt wird.

Zur Tröpfchengrößenbestimmung werden die senkrecht und parallel polarisierten Komponenten des Lorenz-Mie-Streulichts erfasst. Ihr Polarisationsverhältnis steht in Zusammenhang mit dem mittleren Oberflächendurchmesser D₂₁, was planare Tröpfchengrößenmessungen ohne fluoreszierende Zusätze ermöglicht. Das System arbeitet mit einer continous wave-Laserbeleuchtung (cw) bei 532 nm und bietet einen kompakten und flexiblen Aufbau zur Integration in bestehende Systeme.

LaVision bietet verschiedene SLIPI-Konfigurationen an, um unterschiedlichen diagnostischen Anforderungen gerecht zu werden – von der quantitativen Größenanalyse bis hin zu tracerfreien, polarisationsbasierten Messungen.

SLIPI-Tröpfchengrößenbestimmung bei der Ammoniakeinspritzung

Die leistungsstarken Funktionen von SLIPI Droplet Sizing spiegeln sich in der preisgekrönten Studie zur Ammoniakeinspritzung wider – die auf der ILASS Europe 2025 als beste Arbeit im Bereich „Experimental Spray Diagnostics“ ausgezeichnet wurde.
Da sich Ammoniak zunehmend als führender CO₂-freier Kraftstoff etabliert, ist es unerlässlich, sein einzigartiges Sprühverhalten zu verstehen, das von Flash-Boiling, schneller Verdampfung und starker radialer Dispersion geprägt ist. Diese Effekte verbessern zwar die Durchmischung, bringen jedoch auch Herausforderungen wie lokale Abkühlung mit sich, weshalb genaue Messungen auf Tröpfchenebene von entscheidender Bedeutung sind.

Tröpfchengrößenverteilungen D₂₁ von Ammoniak-Sprühnebel zu unterschiedlichen Einspritzzeiten

Herkömmliche optische Verfahren versagen häufig unter den dichten, stark wechselnden Bedingungen von Ammoniak-Sprühnebeln. Die ausgezeichnete Arbeit zeigt, wie die SLIPI Droplet Sizing-Lösung zur Tröpfchengrößenbestimmung von LaVision diese Einschränkungen überwindet, indem sie:

• die Mehrfachstreuung unterdrückt und so klare, in der Tiefe aufgelöste Sprühnebelbilder liefert
• schnelle, zuverlässige 2D-Tröpfchengrößenmessungen (D₂₁) ermöglicht
• Erfassung der detaillierten räumlich-zeitlichen Entwicklung von Flash-Boiling-Phänomenen

Unter Verwendung des für die Forschung besonders relevanten ECN Spray G 8-Loch-Injektors konnte gezeigt werden, wie die Tröpfchengrößen von Ammoniak während des Flash Boiling mit der Zeit abnehmen – eine wichtige Erkenntnis für die Optimierung von Injektoren und die Weiterentwicklung kohlenstofffreier Verbrennungstechnologien.

Laser Imaging in Dichten Sprays: SLIPI

Die Structured Laser Illumination Planar Imaging (SLIPI) Methode ist eine intensitätsmodulierte Lichtschnitt-Technik zur Streulichtkorrektur von Spray Bildern aufgrund von Mehrfachstreuung.
Mit Hilfe der SLIPI Technik können Streulichtanteile aus Mie und LIF Spray Bildern effektiv entfernt werden, wodurch Spray Strukturen in bisher unerreichter Qualität sichtbar werden. Die Laser Imaging Aufnahme eines Hohlkegel Sprays verdeutlicht dies in eindrucksvoller Weise.
Den Messanforderungen entsprechend kann die Lichtschnitt Strukturierung auf unterschiedliche Art erfolgen (1-,2- und 3-Phasen SLIPI).

     

Laser Imaging in einem Hohlkegel Spray mit und ohne SLIPI

courtesy: Elias Kristensson, ILASS-Europe, 2013

References:
Y.N.Mishra, E. Kristensson, E. Berrocal, “Reliable LIF/Mie droplet sizing in
sprays using structured laser illumination planar imaging”, Optics Express,
Vol. 22, Issue 4, pp. 4480-4492 (2014),
http://dx.doi.org/10.1364/OE.22.004480

E. Berrocal, E. Kristensson, P. Hottenbach, M. Aldén , G. Gruenefeld,
“Quantitative imaging of a non-combusting diesel spray using structured
laser illumination planar imaging”, Appl. Phys. B (2012) 109:683–694