In der Energie- und der Verfahrenstechnik spielen Zweiphasenströmungen eine wichtige Rolle. Sie treten in Rohrleitungen und Apparaten auf, und beeinflussen dort chemische Reaktionen, sowie Wärme- und Stoffübergänge. Um die komplexen Vorgänge in den Zweiphasenströmungen modellieren zu können, bedarf es der Ergebnisse umfangreicher Experimente. Zur Ermittlung der charakterisierenden Parameter einer Zweiphasenströmung, wie die Phasenverteilung und die Strömungsgeschwindigkeiten, ist eine Messtechnik notwendig, die eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Visualisierung der Strömung ermöglicht. Für diese Aufgabe eignen sich bspw. konduktive Messverfahren. Im Institut für Sicherheitsforschung des FZ Rossendorf wurde in den vergangenen Jahren ein Gittersensor zur Untersuchung von Zweiphasenströmungen entwickelt. Dieser basiert auf der Messung der momentanen lokalen elektrischen Leitfähigkeit des Zweiphasengemischs. Er ermöglicht eine hochaufgelöste Visualisierung der Strömung. Bei einer Reihe unterschiedlicher Experimente wurde die Anwendbarkeit des Gittersensors zur Ermittlung der Phasenverteilung in einer Zweiphasenströmung nachgewiesen. In dieser Arbeit soll die Genauigkeit des Gittersensors bei der Ermittlung von Blasengrößen untersucht werden. Dafür wurde ein Plexiglaskanal angefertigt, in den die Elektroden des Sensors direkt eingebaut wurden. Da es nicht möglich war, für einen Vergleich in der Kanalströmung einzelne Blasen mit einem definierten Volumen zu erzeugen, wurde die Bewegung der Blasen in diesem Kanal mit einer Hochgeschwindigkeits-Videoeinrichtung erfasst. Mit beiden Verfahren wurden synchron Messungen bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und mit verschiedenen Blasenvolumen durchgeführt. Mit Hilfe von Rechnerprogrammen wurden aus den Kamerabildern die Durchmesser der Blasen bestimmt und daraus die Volumen berechnet. Damit konnten die ermittelten Blasenvolumen des Gittersensors mit denen der Kameraaufnahmen verglichen werden. Dieser Vergleich ließ qualitative und teilweise quantitative Aussagen über die Genauigkeit des Gittersensors zu.

In der Energie- und der Verfahrenstechnik spielen Zweiphasenströmungen eine wichtige Rolle. Sie treten in Rohrleitungen und Apparaten auf, und beeinflussen dort chemische Reaktionen, sowie Wärme- und Stoffübergänge. Um die komplexen Vorgänge in den Zweiphasenströmungen modellieren zu können, bedarf es der Ergebnisse umfangreicher Experimente. Zur Ermittlung der charakterisierenden Parameter einer Zweiphasenströmung, wie die Phasenverteilung und die Strömungsgeschwindigkeiten, ist eine Messtechnik notwendig, die eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Visualisierung der Strömung ermöglicht. Für diese Aufgabe eignen sich bspw. konduktive Messverfahren. Im Institut für Sicherheitsforschung des FZ Rossendorf wurde in den vergangenen Jahren ein Gittersensor zur Untersuchung von Zweiphasenströmungen entwickelt. Dieser basiert auf der Messung der momentanen lokalen elektrischen Leitfähigkeit des Zweiphasengemischs. Er ermöglicht eine hochaufgelöste Visualisierung der Strömung. Bei einer Reihe unterschiedlicher Experimente wurde die Anwendbarkeit des Gittersensors zur Ermittlung der Phasenverteilung in einer Zweiphasenströmung nachgewiesen. In dieser Arbeit soll die Genauigkeit des Gittersensors bei der Ermittlung von Blasengrößen untersucht werden. Dafür wurde ein Plexiglaskanal angefertigt, in den die Elektroden des Sensors direkt eingebaut wurden. Da es nicht möglich war, für einen Vergleich in der Kanalströmung einzelne Blasen mit einem definierten Volumen zu erzeugen, wurde die Bewegung der Blasen in diesem Kanal mit einer Hochgeschwindigkeits-Videoeinrichtung erfasst. Mit beiden Verfahren wurden synchron Messungen bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und mit verschiedenen Blasenvolumen durchgeführt. Mit Hilfe von Rechnerprogrammen wurden aus den Kamerabildern die Durchmesser der Blasen bestimmt und daraus die Volumen berechnet. Damit konnten die ermittelten Blasenvolumen des Gittersensors mit denen der Kameraaufnahmen verglichen werden. Dieser Vergleich ließ qualitative und teilweise quantitative Aussagen über die Genauigkeit des Gittersensors zu.

Die erhebliche Zunahme elektronischer Funktionsgruppen im Kraftfahrzeug erfordert zukünftig den verstärkten Einsatz von Netzwerken in Form von Bussystemen. Dieser Entwicklung folgend werden neue Generationen von Airbagsystemen ebenfalls intelligente, busfähige Anzünder benötigen. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines neuen Materialsystems für Anzündelemente pyrotechnischer Systeme in Airbaganwendungen mit niedrigem Energiebedarf. Zur Anwendung kam, aufgrund seiner speziellen Eigenschaften, das Hafniumhydrid. Der angestrebten vollständigen Integrationsfähigkeit der eigentlichen Zündstruktur in anwendungsspezifische Schaltkreise wird durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten, halbleiterprozeßkonformen Technologie und einer angepaßten Aufbau- und Verbindungstechnik Rechnung getragen. Weitere Kernpunkte der Arbeit umfassen die Charakterisierung der eigentlichen Zündschicht hinsichtlich des Wasserstoffgehaltes, der Mikro-, Schicht- und Oberflächenstruktur, des Verhaltens an Grenzflächen und der auftretenden Schichtspannungen. Zur Beurteilung der Langzeitstabilität der Hafniumhydridschichten dient die Auswertung des Verhaltens des Zündstrukturwiderstandes in Langzeittests unter thermischer Belastung. Zum elektrisch-thermischen Verhalten der Anzünder wurden Simulationsrechnungen nach der Methode der finiten Elemente durchgeführt. Die Verifikation des FEM-Modells erfolgte in praktischen Versuchen am Referenzmaterial Poly-Silicium. Darauf aufbauend erfolgten weitere Simulationsrechnungen zum Verhalten der Hafniumhydridzündschichten, speziell zu Fragen der Vorschädigung der Zündstrukturen. Praktische Untersuchungen zum Zündverhalten der Anzündstrukturen sowie Versuche zum Funktionsverhalten des Gesamtelementes im Gasgenerator belegen die sehr guten Zündeigenschaften der Hafniumhydridschichten im busfähigen Anzündelement. Ebenso konnte die potentielle Eignung der präparierten HfHx-Anzündelemente für Standard Anzünder Applikationen gezeigt werden.

Die erhebliche Zunahme elektronischer Funktionsgruppen im Kraftfahrzeug erfordert zukünftig den verstärkten Einsatz von Netzwerken in Form von Bussystemen. Dieser Entwicklung folgend werden neue Generationen von Airbagsystemen ebenfalls intelligente, busfähige Anzünder benötigen. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines neuen Materialsystems für Anzündelemente pyrotechnischer Systeme in Airbaganwendungen mit niedrigem Energiebedarf. Zur Anwendung kam, aufgrund seiner speziellen Eigenschaften, das Hafniumhydrid. Der angestrebten vollständigen Integrationsfähigkeit der eigentlichen Zündstruktur in anwendungsspezifische Schaltkreise wird durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten, halbleiterprozeßkonformen Technologie und einer angepaßten Aufbau- und Verbindungstechnik Rechnung getragen. Weitere Kernpunkte der Arbeit umfassen die Charakterisierung der eigentlichen Zündschicht hinsichtlich des Wasserstoffgehaltes, der Mikro-, Schicht- und Oberflächenstruktur, des Verhaltens an Grenzflächen und der auftretenden Schichtspannungen. Zur Beurteilung der Langzeitstabilität der Hafniumhydridschichten dient die Auswertung des Verhaltens des Zündstrukturwiderstandes in Langzeittests unter thermischer Belastung. Zum elektrisch-thermischen Verhalten der Anzünder wurden Simulationsrechnungen nach der Methode der finiten Elemente durchgeführt. Die Verifikation des FEM-Modells erfolgte in praktischen Versuchen am Referenzmaterial Poly-Silicium. Darauf aufbauend erfolgten weitere Simulationsrechnungen zum Verhalten der Hafniumhydridzündschichten, speziell zu Fragen der Vorschädigung der Zündstrukturen. Praktische Untersuchungen zum Zündverhalten der Anzündstrukturen sowie Versuche zum Funktionsverhalten des Gesamtelementes im Gasgenerator belegen die sehr guten Zündeigenschaften der Hafniumhydridschichten im busfähigen Anzündelement. Ebenso konnte die potentielle Eignung der präparierten HfHx-Anzündelemente für Standard Anzünder Applikationen gezeigt werden.

Bei Einkopplung von Schall in ein Fluid können durch nichtlineare Effekte und Dämpfung Strömungen erzeugt werden. Diese Strömungen, die ihre Energie aus einem Impulsübertrag der Schallwelle auf die Flüssigkeit beziehen, werden akustische Strömungen genannt (engl.: acoustic streaming). Dieser Impulsübertrag hängt u.a von der Dämpfung der Schallwelle im Medium ab: bei stärkerer Dämpfung nimmt der Impulsübertrag zu und entsprechend die Geschwindigkeit der induzierten Strömung. Eine wichtige Rolle in der vorgelegten Arbeit spielt die Dämpfungserhöhung im Fall in der Flüssigkeit vorhandener Blasen. Dies ist insbesondere bei allen Prozessen von großer Bedeutung, in denen durch intensive (Ultra-)Schallfelder die Blasen in der Flüssigkeit selbst erzeugt werden (akustische Kavitation). Hier entstehen durch die mit den Blasen verbundene Dissipation sehr viel größere akustische Strömungsgeschwindigkeiten als im Fall ohne Kavitation. Zudem werden durch die Volumenoszillation und die Translation der Kavitationsblasen weitere Strömungen auf Skala der Blasengröße induziert. Mit einem in der Arbeit neu entwickelten Versuchsaufbau lassen sich Strömungen auf größeren und mittleren Skalen bis zu einzelnen Blasen in akustischen Kavitationsblasenfeldern abbilden und untersuchen. Durch die Farbtrennung eines speziellen Fluoreszenzmikroskopes ist es möglich, die Flüssigkeitsströmungen und die Kavitationsblasen simultan und getrennt aufzunehmen. Die Abhängigkeit der akustischen Strömungen von verschiedenen Einflussparametern wie Schallleistung, Temperatur und Gasgehalt der Flüssigkeit werden am Beispielfall einer bei 17 kHz betriebenen Ultraschall-Sonotrode (Schallhorn) in Wasser untersucht. Insbesondere der Übergang vom nicht kavitierenden zum kavitierenden Fall ist hier von Interesse, was durch die Möglichkeit eines statischen Überdrucks im Experiment gut beeinflusst werden kann. Es zeigt sich wie erwartet mit dem Einsetzen von Kavitation eine starke Zunahme der akustischen Strömungsgeschwindigkeiten, woraus auf den stark erhöhten Dämpfungskoeffizienten für Schallausbreitung geschlossen werden kann. Ebenfalls werden die sehr schnellen Mikroströmungen auf Blasenebene dokumentiert. Eine genauere Analyse ergibt auch das Auftreten von subharmonischem Verhalten bei Blasendynamik und Strömungsfeld. An speziellen Ultraschallwandlern werden zudem die rein akustischen Strömungen (ohne Auftreten von Kavitation) bei extremen, bisher für Dickenschwinger nicht erreichbaren Schallfrequenzen bis zu 2 GHz in Wasser experimentell untersucht. Hierzu wird ebenfalls der Fluoreszenz-Aufbau verwendet, Es zeigen sich relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Form eines vom Wandler weggerichteten Jets, der sich auch weit jenseits der Eindringtiefe des Schalls in die Flüssigkeit erstreckt. Dieses Verhalten wird ebenfalls numerisch mit einer Finite-Elemente-Methode modelliert. Hier wird neben ausführlichen, aber sehr zeitaufwändigen Rechnungen auch erfolgreich eine vereinfachte Simulation der akustischen Strömungen in dem betrachteten Fall sehr hoher Frequenz angewandt.

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Seit mehr als einem Jahrhundert ist ein wachsendes wissenschaftliches Interesse an Tropfen und den Vorgängen bei deren Aufprall auf die verschiedensten Substrate zu verzeichnen, wohl auch durch die Fotografien von Worthington (1908) ausgelöst. Inzwischen wurden viele Erkenntnisse durch große Fortschritte bei der experimentellen Untersuchung (z.B. mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen) und durch theoretische und computergestützte Untersuchung (z.B. durch skalenfreie und numerische Modellierung) gewonnen. Trotzdem bleibt durch die Vielfältigkeit und Komplexität der Phänomene während des Tropfenaufpralls sowie wegen der ständig erweiterten Anwendungsbereiche dieses Forschungsgebiet hochaktuell. Insbesondere sehr kleine und gleichzeitig sehr schnelle Tropfen (Tropfendurchmesser 10µm bis 100µm, Tropfengeschwindigkeit 10m/s bis 100m/s) kommen in vielen modernen Anwendungen vor (z.B. Verbrennungsmotoren, Tintenstrahldrucker, Reinigung von Oberflächen). In diesem wichtigen, aber für Untersuchungen schwer zugänglichen Parameterbereich gibt es immer noch offene Fragen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit diesen schnellen Mikrotropfen in Bezug auf ihre Herstellung und den Aufprallvorgang auf ein festes, trockenes oder benetztes Substrat. Zunächst wird eine Methode zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitssprays realisiert, welche auf dem durch Ultraschall gesteuerten Plateau-Rayleigh-Zerfall eines Flüssigkeitsstrahls beruht. Sie ermöglicht es, sowohl Tropfengröße als auch –geschwindigkeit präzise und mit hoher Reproduzierbarkeit über den gesamten oben angegebenen Parameterbereich einzustellen. Durch gezielte Manipulation eines Einzeltropfens durch elektrische Felder wird anschließend der Tropfenaufprall auf Substrate unterschiedlicher Benetzbarkeit mit sehr hoher zeitlicher Auflösung (ca. 100 Mio. Bilder pro Sekunde) bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung (< 1µm) untersucht. Es zeigt sich, dass bekannte Modelle für langsamere und größere Tropfen im Millimeterbereich auch für schnelle Mikrotropfen Gültigkeit behalten. Somit ist bei gleichen dimensionslosen Kennzahlen (z.B. Reynolds-Zahl, Weber-Zahl, Ohnesorge-Zahl) eine skalenfreie Beschreibung des Tropfenaufpralls möglich. Schließlich wird die Methode zur Tropfenerzeugung auf einen für Anwendungen in der Reinigung relevanten Fall übertragen. Hierbei geht es um den Tropfenaufprall auf ein von einem Flüssigkeitsfilm überströmten Substrat. Es werden die während des Auftreffvorgangs auftretenden Geschwindigkeiten in der sich bildenden radialen Strömung in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern bestimmt. Aus den Ergebnissen lassen sich Aussagen über die zu erwartende Reinigungswirkung durch derartige Tropfen und den Einfluss der Prozessparameter treffen.