Analysis of tracer particle characteristics for micro PIV in wall-bounded gas flows

Analyse des caractéristiques de traceurs pour la micro PIV dans des écoulements gazeux confinés

¹ Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH, Carl-Benz-Straße 201, D-47057 Duisburg, Germany
email : s.burgmann@zbt-duisburg.de / n.vanderschoot@zbt-duisburg.de / j.wartmann@zbt-duisburg.de / r.lindken@zbt-duisburg.de
² Institut für Energie– und Umwelttechnik e.V., IUTA, Bliersheimer Str. 60, D-47229 Duisburg, Germany
email : asbach@iuta.de

^* Corresponding author

Abstract

The investigation of the gas flow in a working fuel cell by means of optical measurement techniques like micro Particle-Image Velocimetry (µPIV) requires the generation of suitable tracer particles. In this work the analysis of tracer particle characteristics is described which serves as a means to identify suitable particles for wall-bounded gas flows. Several materials and different types of particle generators were examined to check for obtainable particle size distributions and particle concentrations. A simple experiment was designed to investigate the capability of the generated particles to adequately follow the flow. An optically transparent micro-channel with a 90° elbow was manufactured and the µPIV measurement technique is applied. Firstly, the gas-flow seeded with tracer particles is investigated within this 90° elbow micro-channel. Secondly, to check whether the measured flow structure in this previous case matches with the real flow, the same flow conditions are investigated using water as working fluid with solid tracer particles taking into account Re-ynolds number similarity. Thirdly, CFD-calculations using the same reference parameters as in the experimental investiga-tions were performed to quantify the deviation of the particle traces from the real flow streamlines. The results show ethy-lene glycol to be a suitable tracer material since the obtained tracer particles are optically detectable without severe image post-processing and since this material can be easily transformed into an aerosol with suitable concentrations and particle size distributions. The application of the µPIV technique on such a gaseous particle laden flow provided promising results concerning the intended application of this technique to operating fuel cells.

Résumé

L’étude de l’écoulement gazeux dans une pile à combustible au moyen de techniques de mesure optique telles que la micro vélocimétrie par imagerie de particules (µPIV) nécessite la mise au point de particules traceuses appropriées. Nous décrivons ici l’analyse des caractéristiques de ces particules afin d’identifier les particules convenables pour des écoulements confinés. Plusieurs matériaux et différents types de générateurs de particules sont testés en analysant les dis-tributions de taille et les concentrations de particules. Une expérience simple a été conçue pour étudier la capacité des par-ticules générées à suivre correctement l’écoulement. Un microcanal transparent coudé à 90° a été fabriqué pour analyser l’écoulement par la technique de µPIV. Tout d’abord, on étudie l’écoulement de gaz ensemencé par les particules traceu-ses dans ce microcanal coudé. Ensuite, pour vérifier que la structure de l’écoulement déduite de cette mesure correspond à celle de l’écoulement réel, les mêmes conditions d’écoulement sont étudiées en utilisant comme fluide de travail de l’eau ensemencée par des particules solides, en conservant une similitude de Reynolds.

Enfin on réalise des simulations numériques avec les mêmes paramètres de référence que dans les études expérimentales, pour quantifier la déviation des particules traceuses par rapport aux lignes de courant de l’écoulement réel.

Les résultats montrent que l’éthylène glycol est un traceur convenable car les particules obtenues sont décelables optique-ment sans nécessiter un traitement d’image élaboré, et car il peut facilement être transformé en aérosol avec des concentra-tions et des distributions de tailles adaptées.

L’application de la technique de μPIV à un écoulement gazeux ensemencé donne des résultats prometteurs quant à l’application de cette technique pour l’exploitation des piles à combustible.