Title (deu)
Optische Eigenschaften von Flugzeug-Aerosolen
Author
Martin Vojta
Advisor
Regina Hitzenberger
Assessor
Regina Hitzenberger
Abstract (deu)
In dieser Arbeit werden die im europäischen Projekt SAMPLE II gemessenen Daten über optische Eigenschaften von Rußaerosolen mit Hilfe von physikalischen Parametern der Aerosole mittels Mie- und Rayleigh-Debye-Gans-Theorie (RDG-Theorie) modelliert. Im Projekt wurde Ruß von zwei unterschiedlichen Verbrennungsquellen erzeugt: einer Hochdruck-Kerosin-Flamme eines Gasturbinen-Simulators („Hot End Simulator“ - HES) und einer Propan-Diffusions-Flamme eines Flammen-Ruß-Generators („miniCAST-burner“ - CAST). Optische Größen - wie die Einfachstreualbedo, der Massenabsorptionsquerschnitt und der Angströmexponent für Absorption und Streuung – der Aerosolteilchen der beiden Verbrennungsquellen werden miteinander verglichen und es wird untersucht, wie die mit theoretischen Modellen wie der Mietheorie und der Rayleigh-Debye-Gans-Theorie erhaltenen Ergebnisse mit den experimentellen Werten übereinstimmen.
Der Angströmexponent für Absorption der Teilchen beider Verbrennungsquellen ist fast ident und kann sowohl von der Mie- als auch von der RDG-Theorie wiedergegeben werden, wobei die Modellwerte der Mietheorie die experimentellen Werte um 23% überschätzen und die Modellwerte der RDG-Theorie um weniger als 7% von den experimentellen Werten abweichen. Die experimentellen Werte des Angströmexponenten für Streuung der CAST-Teilchen liegen um 33% - 85% über den Werten der HES-Teilchen und die experimentellen Werte der Teilchen aus beiden Rußquellen können weder mit der Mie- noch mit der RDG Theorie modelliert werden. Die Teilchen mit sehr großem Anteil an schwarzem Kohlenstoff aus beiden Verbrennungsquellen besitzen einen Angströmexponenten für Absorption von ungefähr 1.35, was auf eine Wellenlängenabhängigkeit des imaginären Brechungsindex von schwarzem Kohlenstoff hinweist. Die Einfachstreualbedo der HES- und CAST-Teilchen ist mit Abweichungen von < 15% sehr ähnlich, kann mit der RDG-Theorie nicht und mit der Mie Theorie nur bei Teilchen mit sehr hohem oder sehr niedrigem Anteil an „Elemental Carbon (EC)“ (EC-Anteil > 80% bzw. < 15%) modelliert werden. Mit Ausnahme von einer HES-Betriebsbedingung können die Massenabsorptionsquerschnitte der HES- und CAST-Teilchen mit Abweichungen zwischen 6% und 34% relativ gut miteinander verglichen werden. Die Mie- und RDG-Theorie unterschätzen die Werte der CAST-Teilchen mit einem EC-Anteil > 60% um weniger als 30% und bei den HES-Teilchen mit einem EC-Anteil > 80% weichen die Modellwerte um weniger als 50% von den experimentellen Ergebnissen ab, wobei diese Abweichungen großteils innerhalb der experimentellen Unsicherheiten liegen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass Rußteilchen mit einem großen Anteil an EC (> 60%) besonders in Bezug auf die Absorption sehr ähnliche optische Eigenschaften aufweisen, unabhängig davon aus welcher Verbrennungsquelle sie entstammen. Die Absorptionseigenschaften dieser Teilchen, können von theoretischen Modellen wie der Mie- und der RDG-Theorie gut modelliert werden, wobei die RDG-Theorie für Teilchen mit großem Anteil an EC besser geeignet ist, als die Mietheorie.
Abstract (eng)
In this thesis, data of optical properties of soot aerosols - measured in the European research project SAMPLE II – are modelled with Mie and Rayleigh-Debye-Gans theory (RDG theory), using physical parameters of aerosols. In this project, soot particles were produced by two different combustion sources: a high-pressure kerosene flame of a gas turbine simulator ("Hot End Simulator" - HES) and a propane diffusion flame of a flame soot generator ("mini CAST-burner" - CAST ). Optical quantities – such as single scattering albedo, mass absorption cross section, absorption and scattering Ångström exponent – of aerosol particles generated by those different soot sources are compared and the possibility to reproduce experimental values with theoretical models such as Mie theory and Rayleigh-Debye-Gans theory (RDG theory) is explored.
Absorption Ångström exponents of particles of both combustion sources are almost identical and can be reproduced well using Mie and RDG theory, as Mie theory overestimates experimental values by less than 23% and RDG theory reproduces experimnetal values within 7%. Experimental values of the scattering Ångström exponent of CAST particles are 33% and 85% higher than values of HES particles and the experimental values of particles produced with the two sources cannot be modelled by either Mie or RDG theory. Particles with a high fraction of black carbon are found to have an absorption Ångström exponent of about 1.35, which indicates a wavelength dependence of the imaginary part of the refractive index of black carbon.
Single scattering albedos of HES and CAST particles are very similar and their values diverge by less than 15%. Experimental values of single scattering albedos cannot be reproduced by RDG theory and only values of particles that have a very low or very high EC-fraction (> 80% or < 25%) can be modelled successfully using Mie theory. Except for one HES-operating condition, mass absorption cross sections of HES and CAST particles can be compared well, showing discrepancies between 6% and 34%. For CAST particles having an EC fraction > 60%, Mie and RDG theory underestimate experimental values of mass absorption cross section by less than 30%. For HES particles with EC-fraction > 80%, Mie and RDG theory reproduce experimental values within 50%. To a great extent, these deviations lie within experimental uncertainties.
The results of this thesis show that soot particles with high EC-fraction (> 60%) have very similar absorption properties, regardless of combustion source. The absorption properties of these particles can be modelled well by theoretical models such as Mie or RDG theory, altought RDG theory works better than mie theory when particles have a high EC-fraction.
Keywords (deu)
Aerosolphysikoptische EigenschaftenAngströmexponentEinfachstreualbedoMassenabsorptionsquerschnittCASTHot End SimulatorMietheorieRDG-Theorieschwarzer Kohlenstoff
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1327423
rdau:P60550 (deu)
III, 92 Seiten : Diagramme, Tabellen
Number of pages
99
Study plan
Masterstudium Physik
[UA]
[066]
[876]
Association (deu)
Title (deu)
Optische Eigenschaften von Flugzeug-Aerosolen
Author
Martin Vojta
Abstract (deu)
In dieser Arbeit werden die im europäischen Projekt SAMPLE II gemessenen Daten über optische Eigenschaften von Rußaerosolen mit Hilfe von physikalischen Parametern der Aerosole mittels Mie- und Rayleigh-Debye-Gans-Theorie (RDG-Theorie) modelliert. Im Projekt wurde Ruß von zwei unterschiedlichen Verbrennungsquellen erzeugt: einer Hochdruck-Kerosin-Flamme eines Gasturbinen-Simulators („Hot End Simulator“ - HES) und einer Propan-Diffusions-Flamme eines Flammen-Ruß-Generators („miniCAST-burner“ - CAST). Optische Größen - wie die Einfachstreualbedo, der Massenabsorptionsquerschnitt und der Angströmexponent für Absorption und Streuung – der Aerosolteilchen der beiden Verbrennungsquellen werden miteinander verglichen und es wird untersucht, wie die mit theoretischen Modellen wie der Mietheorie und der Rayleigh-Debye-Gans-Theorie erhaltenen Ergebnisse mit den experimentellen Werten übereinstimmen.
Der Angströmexponent für Absorption der Teilchen beider Verbrennungsquellen ist fast ident und kann sowohl von der Mie- als auch von der RDG-Theorie wiedergegeben werden, wobei die Modellwerte der Mietheorie die experimentellen Werte um 23% überschätzen und die Modellwerte der RDG-Theorie um weniger als 7% von den experimentellen Werten abweichen. Die experimentellen Werte des Angströmexponenten für Streuung der CAST-Teilchen liegen um 33% - 85% über den Werten der HES-Teilchen und die experimentellen Werte der Teilchen aus beiden Rußquellen können weder mit der Mie- noch mit der RDG Theorie modelliert werden. Die Teilchen mit sehr großem Anteil an schwarzem Kohlenstoff aus beiden Verbrennungsquellen besitzen einen Angströmexponenten für Absorption von ungefähr 1.35, was auf eine Wellenlängenabhängigkeit des imaginären Brechungsindex von schwarzem Kohlenstoff hinweist. Die Einfachstreualbedo der HES- und CAST-Teilchen ist mit Abweichungen von < 15% sehr ähnlich, kann mit der RDG-Theorie nicht und mit der Mie Theorie nur bei Teilchen mit sehr hohem oder sehr niedrigem Anteil an „Elemental Carbon (EC)“ (EC-Anteil > 80% bzw. < 15%) modelliert werden. Mit Ausnahme von einer HES-Betriebsbedingung können die Massenabsorptionsquerschnitte der HES- und CAST-Teilchen mit Abweichungen zwischen 6% und 34% relativ gut miteinander verglichen werden. Die Mie- und RDG-Theorie unterschätzen die Werte der CAST-Teilchen mit einem EC-Anteil > 60% um weniger als 30% und bei den HES-Teilchen mit einem EC-Anteil > 80% weichen die Modellwerte um weniger als 50% von den experimentellen Ergebnissen ab, wobei diese Abweichungen großteils innerhalb der experimentellen Unsicherheiten liegen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass Rußteilchen mit einem großen Anteil an EC (> 60%) besonders in Bezug auf die Absorption sehr ähnliche optische Eigenschaften aufweisen, unabhängig davon aus welcher Verbrennungsquelle sie entstammen. Die Absorptionseigenschaften dieser Teilchen, können von theoretischen Modellen wie der Mie- und der RDG-Theorie gut modelliert werden, wobei die RDG-Theorie für Teilchen mit großem Anteil an EC besser geeignet ist, als die Mietheorie.
Abstract (eng)
In this thesis, data of optical properties of soot aerosols - measured in the European research project SAMPLE II – are modelled with Mie and Rayleigh-Debye-Gans theory (RDG theory), using physical parameters of aerosols. In this project, soot particles were produced by two different combustion sources: a high-pressure kerosene flame of a gas turbine simulator ("Hot End Simulator" - HES) and a propane diffusion flame of a flame soot generator ("mini CAST-burner" - CAST ). Optical quantities – such as single scattering albedo, mass absorption cross section, absorption and scattering Ångström exponent – of aerosol particles generated by those different soot sources are compared and the possibility to reproduce experimental values with theoretical models such as Mie theory and Rayleigh-Debye-Gans theory (RDG theory) is explored.
Absorption Ångström exponents of particles of both combustion sources are almost identical and can be reproduced well using Mie and RDG theory, as Mie theory overestimates experimental values by less than 23% and RDG theory reproduces experimnetal values within 7%. Experimental values of the scattering Ångström exponent of CAST particles are 33% and 85% higher than values of HES particles and the experimental values of particles produced with the two sources cannot be modelled by either Mie or RDG theory. Particles with a high fraction of black carbon are found to have an absorption Ångström exponent of about 1.35, which indicates a wavelength dependence of the imaginary part of the refractive index of black carbon.
Single scattering albedos of HES and CAST particles are very similar and their values diverge by less than 15%. Experimental values of single scattering albedos cannot be reproduced by RDG theory and only values of particles that have a very low or very high EC-fraction (> 80% or < 25%) can be modelled successfully using Mie theory. Except for one HES-operating condition, mass absorption cross sections of HES and CAST particles can be compared well, showing discrepancies between 6% and 34%. For CAST particles having an EC fraction > 60%, Mie and RDG theory underestimate experimental values of mass absorption cross section by less than 30%. For HES particles with EC-fraction > 80%, Mie and RDG theory reproduce experimental values within 50%. To a great extent, these deviations lie within experimental uncertainties.
The results of this thesis show that soot particles with high EC-fraction (> 60%) have very similar absorption properties, regardless of combustion source. The absorption properties of these particles can be modelled well by theoretical models such as Mie or RDG theory, altought RDG theory works better than mie theory when particles have a high EC-fraction.
Keywords (deu)
Aerosolphysikoptische EigenschaftenAngströmexponentEinfachstreualbedoMassenabsorptionsquerschnittCASTHot End SimulatorMietheorieRDG-Theorieschwarzer Kohlenstoff
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1327424
Number of pages
99
Association (deu)
License
Citable links
Other links
Managed by
Details
Metadata
Export formats
Universitätsring 1, 1010 Wien | T
T +43-1-4277-0