In der Hydraulikindustrie gibt es einen großen Bedarf, mit einer einfachen Methode Volumenstrompulsationen messen zu können. Diese Arbeit beinhaltet die Entwicklung einer neuen Technik, die auf Differenzdruckmessung zwischen zwei Punkten der instationären Strömung basiert. Um die dynamische Antwort des Sensors zu bestimmen, wurde der Zusammenhang zwischen Volumenstrompulsation und Druckdifferenz bestimmt. Die niedrige Eigenfrequenz der vorherigen Sensorversionen wurde mit Hilfe eines optischen Druckwandlers erhöht. Dieser Wandler wurde zu diesem besonderen Zweck adaptiert, einschließlich die Analyse der reflektierenden Membran, die die Druckdifferenz in mechanische Bewegung umwandelt. Es wurde eine kompakte Positionierung der Optik entwickelt, die es ermöglicht, die Verformung der Membran zu messen. Nach der Konstruktion des optischen Sensors wurde er in einem hydraulischen Versuchstand eingebaut. Der Sensor kann die Frequenz des Erregersignals gut messen, jedoch ist die dynamische Antwort des ganzen Systems anders als erwartet. Die Ursache dafür wurde mit einem Rohrleitungsmodell untersucht, das viskose Verluste beinhaltet, aber auch dieses Modell konnte keine hundertprozentige Systemantwort liefern. Die Messungen wurden durch Lufteinschlüsse der Messflüssigkeit und Resonanzfrequenzen des Versuchstandes gestört. Dennoch konnte die Funktion des Sensors bei der Erkennung eines gebrochenen Zahnes einer Zahnradpumpe nachgewiesen werden.

Multiphase flow denotes the simultaneous flow of two or more physically distinct and immiscible substances and it can be widely found in several engineering applications, for instance, power generation, chemical engineering and crude oil extraction and processing. In many of those applications, multiphase flows determine safety and efficiency aspects of processes and plants where they occur. Therefore, the measurement and imaging of multiphase flows has received much attention in recent years, largely driven by a need of many industry branches to accurately quantify, predict and control the flow of multiphase mixtures. Moreover, multiphase flow measurements also form the basis in which models and simulations can be developed and validated. In this work, the use of electrical impedance techniques for multiphase flow measurement has been investigated. Three different impedance sensor systems to quantify and monitor multiphase flows have been developed, implemented and metrologically evaluated. The first one is a complex permittivity needle probe which can detect the phases of a multiphase flow at its probe tip by simultaneous measurement of the electrical conductivity and permittivity at up to 20 kHz repetition rate. Two-dimensional images of the phase distribution in pipe cross section can be obtained by the newly developed capacitance wire-mesh sensor. The sensor is able to discriminate fluids with different relative permittivity (dielectric constant) values in a multiphase flow and achieves frame frequencies of up to 10 000 frames per second. The third sensor introduced in this thesis is a planar array sensor which can be employed to visualize fluid distributions along the surface of objects and near-wall flows. The planar sensor can be mounted onto the wall of pipes or vessels and thus has a minimal influence on the flow. It can be operated by a conductivity-based as well as permittivity-based electronics at imaging speeds of up to 10 000 frames/s. All three sensor modalities have been employed in different flow applications which are discussed in this thesis. The main contribution of this research work to the field of multiphase flow measurement technology is therefore the development, characterization and application of new sensors based on electrical impedance measurement. All sensors present high-speed capability and two of them allow for imaging phase fraction distributions. The sensors are furthermore very robust and can thus easily be employed in a number of multiphase flow applications in research and industry.

In the numerical simulation of fluid flow and solute transport in porous media, finite element method (FEM) has long been utilized and has been proven to be efficient. In this work, an alternative approach called random walk particle tracking (RWPT) method is proposed. In this method, a finite number of particles represent the distribution of a solute mass. Each particle carries a certain fraction of the total mass and moves in the porous media according to the velocity field. The proposed RWPT model is established on a scientific software platform OpenGeoSys (OGS), which is an open source initiative for numerical simulation of thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) processes in porous media. The flow equation is solved using finite element method in OGS. The obtained hydraulic heads are numerically differentiated to obtain the velocity field. The particle tracking method does not solve the transport equation directly but deals with it in a physically stochastic manner by using the velocity field. Parallel computing concept is included in the model implementation to promote computational efficiency. Several benchmarks are developed for the particle tracking method in OGS to simulate solute transport in porous media and pore space. The simulation results are compared to analytical solutions and other numerical methods to test the presented method. The particle tracking method can accommodate Darcy flow as it is the main consideration in groundwater flow. Furthermore, other flow processes such as Forchheimer flow or Richards flow can be combined with as well. Two applications indicate the capability of the method to handle theoretical real-world problems. This method can be applied as a tool to elicit and discern the detailed structure of evolving contaminant plumes. / Bei der numerischen Simulation von Strömung und Stofftransport in porösen Medien hat die Nutzung der Finite-Elemente-Methode (FEM) eine lange Tradition und wird sich als effizient erweisen. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz, die random walk particle tracking (RWPT) Methode vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren stellt eine endliche Anzahl von Partikeln die Verteilung eines gelösten Stoffes dar. Jedes Teilchen trägt einen bestimmten Bruchteil der Gesamtmasse und bewegt sich in den porösen Medien gemäß des Geschwindigkeitsfeldes. Das vorgeschlagene RWPT Modell basiert auf der wissenschaftlichen Softwareplattform OpenGeoSys (OGS), die eine Open-Source-Initiative für die numerische Simulation thermo-hydro-mechanisch-chemischen (THMC) in porösen Medien darstellt. Die Strömungsgleichung wird in OGS mit der Finite-Elemente-Methode gelöst. Der Grundwasserstand wird numerisch berechnet, um das Geschwindigkeitsfeld zu erhalten. Die Partikel-Tracking-Methode löst die Transportgleichung nicht direkt, sondern befasst sich mit ihr in einer physikalisch stochastische Weise unter Nutzung des Geschwindigkeitsfeldes. Zur Berücksichtigung der Recheneffizienz ist ein Parallel Computing-Konzept in der Modell-Implementierung enthalten. Zur Simulation des Stofftransports in porösen Medien und im Porenraum wurden mehrere Benchmarks für die Partikel-Tracking-Methode in OGS entwickelt. Die Simulationsergebnisse werden mit analytischen Lösungen und andere numerische Methoden verglichen, um die Aussagefähigkeit des vorgestellten Verfahrens zu bestätigen. Mit der Partikel-Tracking-Methode kann die Darcy-Strömung gelöst werden, die das wichtigste Kriterium in der Grundwasserströmung ist. Außerdem bewältigt die Methode auch andere Strömungsprozesse, wie die Forchheimer-Strömung und die Richards-Strömung. Zwei Anwendungen zeigen die Leistungsfähigkeit der Methode bei der prinzipiellen Handhabung von Problemen der realen Welt. Die Methode kann als ein Instrument zur Aufdeckung Erkennung der detaillierte Struktur von sich entwickelnden Schadstofffahnenangewendet werden.

Die Reduzierung des Ressourcenverbrauchs und der Lärm- und Schadstoffemissionen von technischen Strömungsprozessen wie Verbrennungs- und Einspritzvorgängen ist von hoher gesellschaftlicher Bedeutung und erfordert ein tieferes Verständnis der auftretenden Strömungsphänomene. Hierfür ist die messtechnische Erfassung der Strömungen notwendig, wobei insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit von hohem Interesse ist. Strömungsgeschwindigkeitsmessungen in dynamischen oder reaktiven Fluiden stellen jedoch hohe Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Um Strömungsoszillationen und instationäre Phänomene mit kurzen Zeitskalen erfassen zu können, muss eine Messung simultan dreikomponentig und mit einer hohen Messrate von 100 kHz oder mehr erfolgen. Zur Analyse komplexer und kleinskaliger Geschwindigkeitsfelder ist eine bildgebende oder volumetrische Messung mit einer hohen örtlichen Auflösung wünschenswert. Momentan verfügbare Messsysteme genügen bisher nicht allen genannten Anforderungen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung, Charakterisierung und Qualifizierung eines geeigneten Systems zur zeitaufgelösten Erfassung instationärer Strömungsprozesse in hochdynamischen und reaktiven Fluiden. Einen für diese Zwecke vielversprechenden Ansatz stellt die Doppler-Global-Velozimetrie (FM-DGV) dar, da diese eine berührungslose Messung mit hoher Messrate gestattet und prinzipiell auch dreikomponentige und volumetrische Messungen ermöglicht. Daher erfolgte die Entwicklung und Realisierung eines simultan dreikomponentigen FM-DGV-Systems und eines FM-DGV-Systems zur bildgebenden und volumetrischen Messung. Die aufgebauten Systeme wurden hinsichtlich ihrer Geschwindigkeitsmessunsicherheit charakterisiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die resultierenden Messunsicherheiten hinreichend klein sind und der Einfluss von Brechungsindexfluktuationen auf die Messunsicherheit vernachlässigt werden kann. Die Analyse der Messunsicherheiten aufgrund von Strömungsgeschwindigkeits- und Streulichtleistungsfluktuationen erfolgte mittels eines modellbasierten Ansatzes. Dabei wurde gezeigt, dass Streulichtleistungsfluktuationen einen dominanten Beitrag zum Messunsicherheitsbudget leisten können. Um die Eignung für die simultan dreikomponentige Messung mit hoher Messrate zu demonstrieren, wurden Messungen an einem Bias-Flow-Liner (BFL) durchgeführt. Dabei gelang erstmals an einem BFL die Untersuchung des Leistungsdichtespektrums in kartesischen Koordinaten und der Nachweis eines breitbandigen Energietransfers von Energie der Schallanregung hin zur kinetischen Energie der Strömung. Zur Demonstration der Messung in reaktiven Fluiden wurde ein drallstabilisierter Gasbrenner untersucht, wie er in stationären Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken eingesetzt wird. Hierbei konnte eine thermo-akustische Wechselwirkung zwischen der Wärmefreisetzungsrate und dem Druck nachgewiesen werden und es zeigte sich ein Zusammenhang zwischen den lokalen Geschwindigkeitsoszillationen innerhalb der Flamme und den globalen Schalldruckemissionen. Durch die bildgebende, zeit- und ortsaufgelöste Messung mit hoher Messrate konnten zudem erstmals instationäre Phänomene der Strömungsgeschwindigkeit im düsennahen Bereich einer Hochdruck-Einspritzdüse ohne Seedingzufuhr vermessen werden. Diese Entwicklungen ermöglichen weitere Untersuchungen zum stabileren Betrieb von Gasbrennern mit mageren Gemischen, ein tieferes Verständnis der Dämpfungsmechanismen an BFL und die Optimierung des Einspritzvorganges in Motoren. Somit kann perspektivisch ein Beitrag zum ressourcenschonenden, umweltfreundlichen und leisen Betrieb von technischen Strömungsmaschinen wie Flugzeugtriebwerken, stationären Gasturbinen und Verbrennungsmotoren geleistet werden. / The reduction of the consumption of resources and the noise and polluting emissions of technical flow processes such as combustion and injection processes is of high social relevance and requires a deeper understanding of the occurring flow phenomena. For this purpose the metrological acquisition of the flows is necessary, whereat especially the flow velocity is of high interest. However, flow velocity measurements in dynamic or reactive fluids make great demands on the engaged measurement techniques. In order to resolve velocity oscillations or unsteady phenomena with short timescales a simultaneous three component measurement with a high measurement rate of 100 kHz or more is required. To analyze complex and small-scale velocity fields an imaging or volumetric measurement with a high spatial resolution is desired. Currently available measurement systems do not fulfill all these requirements. Hence, the goal of this work is the development, characterization and qualification of a measurement system suitable for the temporally resolved acquisition of unsteady flow processes in highly dynamic and reactive fluids. For this purpose the Doppler global velocimetry with laser frequency modulation (FM-DGV) represents a promising approach, since it allows a contactless measurement with high measurement rate and in principle enables simultaneous three component and volumetric measurements. Hence, as a first step a simultaneous three component FM-DGV system and a FM-DGV system for imaging and volumetric measurements were developed. Subsequently, the realized systems were characterized regarding their velocity measurement uncertainty. It was shown, that the resulting measurement uncertainty is sufficiently small and that the influence of fluctuations of the refractive index on the measurement uncertainty can be neglected. The analysis of the measurement uncertainty due to fluctuations of the flow velocity and the scattered light power was conducted using a model-based approach. It was thereby shown, that fluctuations of the scattered light power can lead to a dominant term of the uncertainty budget. In order to demonstrate the suitability for simultaneous three component measurement with high measurement rate, measurements at a bias flow liner (BFL) were conducted. Thereby for the first time at a BFL it was possible to determine the power spectral density in Cartesian coordinates and to show the broadband energy transfer from the energy of the sound excitation to the kinetic energy of the flow. To demonstrate the measurement in reactive flows, a swirl-stabilized burner was investigated, as it is used in stationary gas turbines and airplane engines. It was possible to prove a thermo-acoustic interaction between the heat release rate and the pressure and to show a correlation between the local velocity oscillations within the flame and the global sound pressure emissions. By means of the imaging, temporally and spatially resolved measurement with high measurement rate it was furthermore possible to resolve unsteady phenomena in the near-nozzle region of a high-pressure injection nozzle without the addition of tracer particles. These developments allow further investigations regarding the stable operation of gas burners with lean mixtures, a deeper understanding of the damping effects at BFL and the optimization of injection processes in engines. Consequently, it is perspectively possible to contribute to the resource-efficient, environment-friendly and quiet operation of technical flow machines as aircraft engines, stationary gas turbines and combustion engines.

Um Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen schadstoffärmer und leiser zu gestalten, werden effizientere Dämpfer zur Unterdrückung des in der Brennkammer entstehenden Schalls benötigt. Hierfür sollen durchströmte, perforierte Wandauskleidungen eingesetzt werden, die sogenannten Bias-Flow-Liner (BFL). Die Erhöhung der Dämpfungseffizienz von BFL erfordert jedoch ein tiefer gehendes Verständnis der aeroakustischen Dämpfungsmechanismen. Die Analyse der Mechanismen bedarf einer experimentellen Untersuchung des Vektorfeldes der Fluidgeschwindigkeit, die sowohl die Strömungsgeschwindigkeit als auch die Schallschnelle enthält. Zur gleichzeitigen Erfassung beider Größen wird eine berührungslose sowie örtlich und zeitlich hoch aufgelöste Messung der Geschwindigkeit von im Mittel 10 m/s bis 100 m/s bei einer Unsicherheit von maximal 10 mm/s für die Schallschnelleamplitude und einem Dynamikumfang von 1000 bis 10 000 benötigt. Für diese Messung sind optische Verfahren vielversprechend, genügten aber bisher nicht diesen Anforderungen. Deshalb wurden im ersten Schritt neuartige optische Geschwindigkeitsmessverfahren erstmals bezüglich der Eignung für aeroakustische Untersuchungen am BFL, speziell hinsichtlich der Unsicherheit und des Dynamikumfangs, charakterisiert: der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor (LDV-PS), die akustische Particle Image Velocimetry (A-PIV) und die Doppler-Global-Velozimetrie mit Frequenzmodulation (FM-DGV). Aus dem Messunsicherheitsbudget geht für alle Verfahren die turbulente Strömungsfluktuation als dominierender Beitrag zur Unsicherheit für die gemessene Schnelleamplitude hervor, wobei die Unsicherheit durch eine Erhöhung der Messdauer gesenkt werden kann. Für eine Messdauer von 80 s beträgt die mittels FM-DGV erzielte Unsicherheit bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 100 m/s beispielsweise 10 mm/s, woraus ein Dynamikumfang von 10 000 resultiert. Demnach erfüllen die neuartigen Verfahren die Voraussetzungen für die Anwendung am BFL, was im zweiten Schritt experimentell demonstriert wurde. Hierbei wurde zwecks Untersuchung kleiner Strukturen der LDV-PS mit einer feinen Ortsauflösung von minimal 10 µm genutzt. Ferner wurde die großflächige Erfassung mittels A-PIV zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen den Perforationslöchern eingesetzt und eine spektrale Untersuchung der mittels FM-DGV gemessenen Geschwindigkeit bei einer hohen Messrate von 100 kHz durchgeführt. Im Ergebnis wurden folgende Erkenntnisse zum Dämpfungsverhalten gewonnen: Am BFL tritt eine Interaktion von Strömung und Schall auf, die zu einer Oszillation der Geschwindigkeit mit hoher Amplitude bei der Schallanregungsfrequenz führt. Aus der erstmals durchgeführten Zerlegung der volumetrisch gemessenen Geschwindigkeit in Strömungsgeschwindigkeit und Schallschnelle resultiert, dass die akustisch induzierte oszillierende Geschwindigkeit vorwiegend dem Strömungsfeld zuzuordnen ist. Folglich wurde ein Energietransfer vom Schallfeld ins Strömungsfeld am BFL nachgewiesen, der wegen des sich typischerweise anschließenden Zerfalls von Strömungswirbeln und der finalen Umwandlung in Wärmeenergie zur Dämpfung beiträgt. Zudem wurde mittels spektraler Analyse der Geschwindigkeit ein breitbandiger Energiezuwachs bei tonaler Schallanregung festgestellt, welcher mit der Dämpfungseffizienz korreliert ist. Somit wird die These der primär von der akustisch induzierten Wirbelbildung herrührenden Dämpfung gestützt. Diese mit den neuartigen optischen Messverfahren gewonnenen Erkenntnisse tragen perspektivisch zur Optimierung von BFL hinsichtlich einer hohen Dämpfungseffizienz bei.