Teilprojekt A04 Dreizler

Teilprojekt A04 Dreizler

Detaillierte experimentelle Untersuchung thermokinetischer und strömungsmechanischer Eigenschaften von Flamme-Wand-Interaktionen

Motivation

Wandnahe Verbrennungsvorgänge wirken sich stark auf die Effizienz und Schadstoffbildung in technischen Verbrennungsanwendungen aus. Als Beispiel sind moderne Verbrennungsmotoren mit erhöhtem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis und größeren Leistungsdichten sowie Flugtriebwerke bzw. Gasturbinen bei mageren Betriebspunkten zu nennen.

Wärmeverluste in der unmittelbaren Umgebung der Wand bilden die Grundlage für den fundamentalen Flamme-Wand-Interaktionprozess. In technischen Brennern sind die Wände üblicherweise deutlich kälter als die typischen Flammentemperaturen, so dass Wärme von der Flamme zur Wand transferiert wird und damit die chemischen Reaktionen unterbrochen werden. Dies führt letztendlich zum Erlöschen der Flamme an der Wand.

Ziele

Die komplexen Wechselwirkungen aus Fluidbewegungen, Transportphänomenen und chemischen Reaktionen bei Flamme-Wand-Interaktionen sind noch nicht im Detail verstanden, so dass es weiterer Forschung bedarf. In unseren Arbeiten fokussieren wir uns auf die experimentelle Untersuchung dieser Wechselwirkungen mittels simultanen und/oder zeitaufgelösten Messungen der Strömungscharakteristika und/oder der thermokinetischen Zustände. Zudem stellen wir Validierungsdaten für die numerische Simulationen zur Verfügung und entwickeln erweiterte wandnahe Verbrennungsmodelle.

Methoden

Experimenteller Aufbau

Um fundamentale Flamme-Wand-Interaktionsprozesse zu untersuchen sind experimentelle Aufbauten mit einfachen Geometrien und eindeutig definierten Randbedingungen unabdingbar. Da Flamme-Wand-Interaktionen in zwei grundlegende Konfigurationen eingeteilt werden können, werden zwei verschiedene, generische Brenner verwendet:

1. Head-On-Quenching (Abb. 1 – links): Die Flamme propagiert senkrecht zur Wand. Hierfür wird ein vorgemischter Brennstoff-Luft-Strahl mittels eines Laserfunkens über einer kreisrunden Brennerdüse gezündet. Die sich entwickelnde Flamme trifft auf die Wand, wo Flamme-Wand-Interaktion beobachtet werden kann.

2. Side-Wall-Quenching (Abb. 2 – rechts): Die Flamme propagiert parallel zur Wand. Wiederum wird ein vorgemischter Brennstoff-Luft-Strahl verwendet. Um eine V-Flamme zu erzeugen ist ein Keramikstab über der Brennerdüse platziert. Einer der beiden Flammenäste trifft in einer überwiegend parallelen Orientierung auf die Wand.

In beiden Aufbauten kann die Flamme-Wand-Interaktion durch Variation des Brennstoff-Luft-Gemisches (φ=0.83 – 1.2), der Reynoldszahl (bis zu Re=10.000) und der Turbulenzintensität (0.1 – 6 %) beeinflusst werden. Des Weiteren können die Eigenschaften der Wände durch Beschichtungen, Temperaturrandbedingungen oder die relative Orientierung zur Flamme beeinflusst werden.

Abbildung 1: Head-On-Quenching Konfiguration (links) und Side-Wall-Quenching Konfiguration (rechts)
Abbildung 1: Head-On-Quenching Konfiguration (links) und Side-Wall-Quenching Konfiguration (rechts)

Messtechnik

Der Schlüssel zum Verständnis der physikalischen Prozesse bei Flamme-Wand-Interaktionen ist die simultane Messung mehrerer Größen. Moderne Lasermesstechniken ermöglichen mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung die störungsfreie, akkurate Messung mehrerer physikalischer Größen einer Strömung. Für die Vermessung der Strömungsgeschwindigkeiten wird die Particle-Image-Velocimetry (PIV, Abbildung 2 – links) in Kombination mit der laserinduzierten Fluoreszenz am OH-Molekül verwendet. Die OH-Daten charakterisieren die Flammenstruktur in der Wandumgebung. Weiterhin können die Strömungs- und Wandtemperaturen mittels der kohärenten Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS, Abbildung 2 – rechts) bzw. thermographischen Phosphoren bestimmt werden. Zusätzlich zu den Temperaturdaten können Kohlenstoffmonoxidkonzentrationen punktweise mittels laserinduzierter Fluoreszenz gemessen werden. Somit ermöglicht die instantanen Messung dieser Größen eine umfassende Charakterisierung der Strömungseigenschaften sowie der thermokinetischen Zustände während der Flamme-Wand-Interaktion. Zudem bilden diese Daten eine umfassende Basis für die Entwicklung neuer und erweiterter Verbrennungsmodelle der computergestützten Fluidmechanik (CFD).

Abbildung 2: PIV-Messungen am Head-On-Quenching Brenner (links) und CARS-Temperaturmessungen am Side-Wall-Quenching Brenner (rechts)
Abbildung 2: PIV-Messungen am Head-On-Quenching Brenner (links) und CARS-Temperaturmessungen am Side-Wall-Quenching Brenner (rechts)