Experimentelle Untersuchung der Schallabstrahlung einer turbulenten vorgemischten Freistrahlflamme
Final Report Abstract
Die wesentlichen Ergebnisse dieses Projektes sind im Folgenden zusammengefasst: • Die Scherschichtdicke und damit verbundene erhöhte Turbulenz hat bei direktem Verbrennungslärm einen großen Einfluss auf die Schalldruckpegel der Lärmemissionen der Vormischflamme. Eine Vergrößerung der Scherschichtdicke führt zu erhöhten akustischen Emissionen durch eine steigende Kompaktheit der Flamme. D.h., die Flammenlänge nimmt als Ergebnis einer stärkeren Faltung der Flammenfront infolge der erhöhten turbulenten Schwankungen im Zentrum der Freistrahlflamme ab. Bei gleichbleibender thermischer Leistung (Re = const, T = const., ϕ = const.) führt dies zu einer größeren Wärmefreisetzung pro Volumeneinheit, welche größere Druckschwankungen bedingt. Dies führt sowohl zu einem Anstieg der Schalldruckpegel bei der Peak-Frequenz als auch im gesamten Spektrum. Durch Normierung der Schalldruckspektren lässt sich zeigen, dass die Scherschichtdicke nur Auswirkung auf die Absolutwerte der Pegel haben. Die Peak-Frequenz und die Form der resultierenden Spektren bleiben gleich, so dass sich eine aktive oder passive Kontrolle der Scherschichtdicke als eine Möglichkeit anbietet, die resultierenden Schalldruckpegel infolge von direktem Verbrennungslärm zu reduzieren. • Basierend auf Strömungsfeldmessungen, Messungen der Flamme und Reaktionszone und Messungen des akustischen Druckes konnte eine Strouhal-Zahl-Skalierung zwischen strömungs- und flammenbasierten Werten auf der einen Seite und dem Schalldruckpegel bei der sich ausbildenden Peak-Frequenz auf der anderen Seite aufgestellt werden. Die Verwendung von experimentell ermittelten Werten – das Maximum der axialen Geschwindigkeitsschwankung in der Scherschicht und die Flammenlänge basierend auf Messungen der Schwankungen des OH-Radikals OH* – verbesserten einen in der Literatur vorgeschlagenen Fit deutlich und bietet sich als Grundlage für die Abschätzung des resultierenden Pegels der Peak-Frequenz an. • Eine Änderung der globalen Parameter des Gas-Luft-Gemischs – Re, T, ϕ – wirkt sich am stärksten auf die Absolutwerte der resultierenden Schalldruckpegel aus. Die ersten beiden der drei Parameter (Re, T) führen zu einem absoluten Anstieg der turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen im unverbrannten Gemisch. Da diese die Ursache für die Entstehung von direktem Verbrennungslärm sind, steigen infolgedessen auch die akustischen Emissionen der Freistrahlflamme. Im Fall der Variation des Äquivalenzverhältnisses ϕ ist der Einfluss der viskosen Dämpfung der Flamme auf die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen besonders bei sehr mageren Gemischen sichtbar und führt zu einer „Re-Laminarisierung“. Bei Steigerung des Brennstoffanteils hin zu stöchiometrischen Verhältnissen führt die stärker werdende intermittierende Dichteänderungen infolge der turbulenten Verbrennung zu wieder steigenden turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen. Daraus und aus der steigenden thermischen Leistung der Flamme resultiert ein Anstieg der Schalldruckpegel im gesamten Spektrum.
Publications
- “Experimental Investigation of the Influence of the Shear Layer on Direct Combustion Noise of a Turbulent Jet Flame”, Proceedings of the ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Volume 4B: Combustion, Fuels and Emissions. Charlotte, North Carolina, USA, June 26–30, 2017
H. Nawroth und C.O. Paschereit
(See online at https://doi.org/10.1115/GT2017-64467) - The Impact of Global Parameters of the Gas Mixture on Flow Field and Direct Combustion Noise of a Turbulent Jet Flame, AIAA Paper 2017-1472, 2017
H. Nawroth und C.O. Paschereit
(See online at https://doi.org/10.2514/6.2017-1472) - “Combustion generated noise: an environment related issue for future combustion systems”, Energy Technology, 2017
F. Zhang, T. Zirwes, H. Nawroth, P. Habisreuther, H. Bockhorn und C.O. Paschereit
(See online at https://doi.org/10.1002/ente.201600526) - (August 30, 2018). "Fractal Characteristics of Combustion Noise." ASME. J. Eng. Gas Turbines Power, December 2018; Vol. 140 (12): 121507
Saurabh, A., Imran, H., Nawroth, H., Paschereit, C. O., and Kabiraj, L.
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4038766) - “Impact of Combustion Modeling on the Spectral Response of Heat Release in LES”, Combustion Science and Technology, 2019, 191:9, S. 1520-1540
F. Zhang, T. Zirwes, P. Habisreuther, H. Bockhorn, D. Trimis, H. Nawroth & C.O. Paschereit
(See online at https://doi.org/10.1080/00102202.2018.1558218) - “Impact of burner plenum acoustics on the sound emission of a turbulent lean premixed open flame”, International Journal of Spray and Combustion Dynamics, January 2020
S. Herff, K. Pausch, H. Nawroth, S. Schlimpert, C.O. Paschereit, W. Schröder
(See online at https://doi.org/10.1177/1756827720956906)
