Turbulent thermal diffusion of aerosols in geophysics and laboratory experiments

We discuss a new phenomenon of turbulent thermal diffusion associated with turbulent transport of aerosols in the atmosphere and in laboratory experiments. The essence of this phenomenon is the appearance of a nondiffusive mean flux of particles in the direction of the mean heat flux, which results in the formation of large-scale inhomogeneities in the spatial distribution of aerosols that accumulate in regions of minimum mean temperature of the surrounding fluid. This effect of turbulent thermal diffusion was detected experimentally. In experiments turbulence was generated by two oscillating grids in two directions of the imposed vertical mean temperature gradient. We used Particle Image Velocimetry to determine the turbulent velocity field, and an Image Processing Technique based on an analysis of the intensity of Mie scattering to determine the spatial distribution of aerosols. Analysis of the intensity of laser light Mie scattering by aerosols showed that aerosols accumulate in the vicinity of the minimum mean temperature due to the effect of turbulent thermal diffusion. Geophysical applications of the obtained results are discussed.Comment: 9 pages, 6 figures, revtex

Laserdiagnostische und plasmatechnologische Grundlagen zur Verminderung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch von DI-Verbrennungsmotoren. Teilprojekt 6: Mehrdimensionale Multiparameter-Lasermesstechnik fuer innermotorische Prozesse bei direkteinspritzenden Brennverfahren Abschlussbericht

Ziel der Untersuchungen war die Entwicklung laserbasierter beruehrungsloser Messtechniken fuer die Gewinnung von Temperatur- und Konzentrationsdaten in turbulenten Stroemungs- und Verbrennungsprozessen, insbesondere fuer innermotorische Vorgaenge bei direkteinspritzenden Ottomotoren. Bisherige Entwicklungen zeigten die Notwendigkeit spektraler Aufloesung zur Quantifizierung der gewonnenen Bilddaten. Dies wird durch eindimensional-ortsaufgeloeste Verfahren realisiert, fuehrt jedoch zu Interpretationsschwierigkeiten bei inhaerent dreidimensionalen Strukturen, wie sie notwendig bei direkteinspritzenden Brennverfahren auftreten. Parallel wurde auch das Ziel einer genuegenden Einzelschussgenauigkeit verfolgt. Die Erweiterung von quantitativen 1D-ortsaufgeloesten Messverfahren auf zwei- und dreidimensionale Strukturen wurde erreicht durch die Kombination von Abbildungsoptik, einem speziellen Quartzfiberbuendel, einem abbildenden Spektrometer und einer intensivierten CCD-Kamera. Zunaechst wurde an Laborflammen die quantitative Bestimmung der Gemischbildung innerhalb zwei- und dreidimensionaler Ortsvolumina mittels Rayleigh-/Ramansteuerung bestimmt. Die Einzelschussgenauigkeit wurde vor dem Hintergrund interferierender Spektralemissionen untersucht und ist ausreichend. Die Messtechnik wurde an einem Otto Motor appliziert. (orig.)A major goal of the investigations was the development of laser based contactless measurement techniques for obtaining temperature and species concentration data out of turbulent flow and burning processes, especially inside direct injection engines. Former developments revealed the necessity of spectral resolution for the quantification of the obtained images. This can be realised via well known one dimensional spatial resolution techniques. However, due to the inherent three-dimensional structures within such engines, those techniques generally led to difficulties of data interpretation. We followed the goal to realise a sufficient single-shot accuracy additionally. The extension of quantitative measurements diagnostics from one dimensional resolution to two- or three-dimensional spatial resolution has been realised by the combination of an imaging optic, a particular UV-transparent quartz fibre bundle, a special imaging spectrometer and an intensified CCD-camera. First, the quantitative determination of fuel and exhaust species profiles out of two- and three-dimensional partial volumes has been demonstrated at lab-flames by the means of Raman-/Rayleigh scattering. Single-shot accuracy has been investigated with respect to interfering spectral emissions and is sufficient. The new measurement technique was applied to an SI engine. (orig.)Available from TIB Hannover: F01B696+a / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEBundesministerium fuer Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie, Bonn (Germany)DEGerman