Messverfahren für die akustische Absorption in reinen Fluiden zur Bestimmung der Volumenviskosität

Die vollständige Beschreibung fluiddynamischer und akustischer Vorgänge setzt voraus, dass die Eigenschaften des Fluids hinlänglich bekannt sind.Während Fluidkenngrößen, wie etwa die Schallgeschwindigkeit oder die Scherviskosität, für viele Flüssigkeiten über weite Bereiche des thermodynamischen Zustandsraums bekannt sind, existieren für die Volumenviskosität nur eine geringe Anzahl Messdaten.In dieser Arbeit wird daher ein Messverfahren zur selektiven Bestimmung der Volumenviskosität von Flüssigkeiten, basierend auf der Absorption von Ultraschallwellen, entwickelt und realisiert.Schwerpunkte bilden dabei der simulationsgestützte Entwurf von Algorithmen zur Auswertung der Messsignale sowie die Analyse und Weiterentwicklung einer Messanordnung, basierend auf dem Puls-Echo-Verfahren. Neben der Absorption im Fluid treten dabei weitere Effekte (zum Beispiel Beugung oder unvollständige Reflexion) auf, die das akustische Signal schwächen oder anderweitig beeinflussen. Die Entwicklung von Verfahren zur Trennung dieser Effekte von der akustischen Absorption bildet daher einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit.Abschließend wird die Volumenviskosität aus der gemessenen akustischen Absorption für unterschiedliche Fluide in verschiedenen thermodynamischen Zuständen unter Zuhilfenahme anderer bekannter Fluidkenngrößen bestimmt sowie eine Unsicherheitsbetrachtung durchgeführt.

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The prerequisite for a complete description of fluid dynamic and acoustic processes is that all properties of the fluid are known.While fluid parameters such as the speed of sound or the shear viscosity are known for many liquids over a wide range of thermodynamic states, only limited measurement data exist for the bulk viscosity.In this thesis, a measurement method for the selective determination of the bulk viscosity of liquids, based on the absorption of ultrasonic waves, is developed and implemented.The focus is on the simulation-driven design of algorithms for processing the measurement signals as well as the analysis and further development of a measurement set-up based on the pulse-echo method.In addition to absorption in the fluid, there are other effects (for example diffraction or incomplete reflection) that weaken or otherwise influence the acoustic signal.Therefore, the development of procedures to separate these effects from acoustic absorption is another focus of this work.The bulk viscosity is determined from the measured acoustic absorption for different fluids in different thermodynamic states. An uncertainty analysis of the measured quantities concludes this thesis.