Entwicklung einer neuartigen Geschwindigkeitsmessmethode auf der Basis von Röntgenstrahlen für Blasensäulen mit hohem Gasgehalt

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1 Entwicklung einer neuartigen Geschwindigkeitsmessmethode auf der Basis von Röntgenstrahlen für Blasensäulen mit hohem Gasgehalt von Diplom-Ingenieur Axel Seeger aus Rüdersdorf von der Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften - Dr.-Ing. - genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Professor Dr.-Ing. Günter Clauss Gutachter: Professor Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. Andreas Dillmann Professor Dr.-Ing. Klaus Affeld Tag der wissenschaftlichen Aussprache: Berlin 2002 D83

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3 Berichte aus der Strömungstechnik Axel Seeger Entwicklung einer neuartigen Geschwindigkeitsmessmethode auf der Basis von Röntgenstrahlen für Blasensäulen mit hohem Gasgehalt. D 83 (Diss. TU Berlin) Shaker Verlag Aachen 2003

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Seeger, Axel: Entwicklung einer neuartigen Geschwindigkeitsmessmethode auf der Basis von Röntgenstrahlen für Blasensäulen mit hohem Gasgehalt / Axel Seeger. Aachen : Shaker, 2003 (Berichte aus der Strömungstechnik) Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2002 ISBN Copyright Shaker Verlag 2003 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Labor für Biofluidmechanik unter Leitung von Herrn Professor Dr.-Ing. Klaus Affeld. Das Labor gehört zur Charité, der medizinischen Fakultät der Humboldt Universität zu Berlin und ist mit dem Herrmann-Föttinger-Institut der Technischen Universität in Berlin affiliert. Die Doktorarbeit wurde gefördert von der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) und der Studienstiftung des deutschen Volkes, bei der ich mich an dieser Stelle herzlich für die Förderung und die vielen interdisziplinären Erfahrungen, die mir dadurch zuteil wurden, bedanken möchte. Gedankt sei in erster Linie meinen beiden Betreuern, Herrn Professor Dr.-Ing. Klaus Affeld und Herrn Professor Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. Andreas Dillmann vom Herrmann-Föttinger-Institut, die mich mit vielen Anregungen und Diskussionen bei der Arbeit unterstützten. Herrn Dr. med. Ernst Wellnhofer möchte ich besonders herzlich für die Unterstützung bei den Messungen am Deutschen Herzzentrum Berlin und die dafür aufgewendete Zeit danken. Ohne seine Hilfe wäre die Arbeit nicht möglich gewesen. Mein Dank gilt auch Herrn Dr.-Ing. Kertzscher vom Labor für Biofluidmechanik, der mich mit vielen wertvollen Diskussionen unterstützte. Allen Kolleginnen und Kollegen ein herzliches Dankeschön für ihren Beitrag zum Gelingen der Arbeit, speziell an Herrn Dr.-Ing. Rene Delfos vom Department of Mechanical Engineering and Marine Technology, Delft University of Technology, Niederlande. Ein besonderer Dank gilt auch meiner Frau Susanne für die Unterstützung und die kritische Durchsicht des Manuskripts.

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7 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Einleitung Grundlagen Röntgenstrahlung und Röntgenabsorption Entstehung von Röntgenstrahlung Eigenschaften von Röntgenstrahlen Blasensäulen Aufbau von Blasensäulen Bewegung der Blasen in Blasensäulen Charakteristische Parameter von Blasensäulen Strömungszustände in Blasensäulen Strömungssimulation von Blasensäulen Stand der Technik bei der Messung der Geschwindigkeit der flüssigen Phase Methoden für Blasensäulen mit niedrigem Gasgehalt Laser Doppler Velozimetrie Particle Image Velocimetry Particle Tracking Velocimetry Methoden für Blasensäulen mit hohem Gasgehalt Heißfilmvelozimetrie Elektrodiffusionsmethode Velozimetrie mit einem radioaktiven Partikel Modifiziertes Pitotrohr Methode Prinzip des neuen Verfahrens Versuchsaufbauten Versuchsaufbau für die dreidimensionale Messung in einer kreiszylindrischen Blasensäule Versuchsaufbau für die Validierung Verwendete Flüssigkeiten... 36

8 4.4 Partikel Auswahl und Herstellung der Partikel Partikeleigenschaften Partikelerkennung, Berechnung der Partikelschwerpunkte und Verzerrungskorrektur Herkömmliche Verfahren Neuartiges Verfahren zur Partikelerkennung Zweidimensionale Partikelverfolgung Dreidimensionale Rekonstruktion der Partikelbahnen Dreidimensionale Rekonstruktion der Partikelkoordinaten aus zwei Projektionen Isozentrumskorrektur Erweiterung der Partikelkoordinatenrekonstruktion auf die Rekonstruktion von Partikelbahnen Verarbeitung der Trajektorien Berechnung eines dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes Berechnung des Vektorfeldes der Standardabweichung Ergebnisse Validierung des neuartigen Messverfahrens Abschätzung der Grenzen des Messsystems für die Anwendung in der kreiszylindrischen Blasensäule Übersicht über die Messungen in der kreiszylindrischen Blasensäule Übersicht über alle Messungen Übersicht über die näher beschriebenen Messungen Hinweise zur Darstellung der Ergebnisse Fotos Dreidimensionale Darstellung der Messergebnisse Messergebnisse in der kreiszylindrischen Blasensäule Gasleerrohrgeschwindigkeit: 1 mm/s, Gasgehalt: 1,5 % Gasleerrohrgeschwindigkeit: 1 mm/s, Gasgehalt: 5 % Gasleerrohrgeschwindigkeit: 3 mm/s, Gasgehalt: 3 % Gasleerrohrgeschwindigkeit: 3 mm/s, Gasgehalt: 5 % Gasleerrohrgeschwindigkeit: 3 mm/s, Gasgehalt: 8 % Diskussion der Messergebnisse

9 6. Diskussion des neuartigen Messverfahrens Grenzen des Verfahrens Gasgehalt Größe der Partikel Anzahl der Partikel im Untersuchungsvolumen, zeitliche und räumliche Auflösung Anhaftung von Partikeln an Blasen und Blasenbildung an der Partikeloberfläche Messvolumen Umsetzung des Verfahrens in die industrielle Praxis Bestes derzeit realisierbares System Einsatzgebiete des neuartigen Verfahrens im Vergleich mit Standardverfahren Ausblick: Anwendung des Verfahrens auf weitere Strömungen Literaturverzeichnis Anhang Liste der Variablen Lateinische Buchstaben Griechische Buchstaben Nomenklatur von Matrizen, Vektoren, Skalaren, Geraden und Punkten Übersicht über die Messungen