Experimentelle und Numerische Mischungsuntersuchungen in kompressiblen Düsenströmungen

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Schulz; Professor Dr.-Ing. Bernhard Weigand
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250957080

Mischungsprozesse, die zwei oder mehr gasförmige Komponenten beinhalten, spielen eine entscheidende Rolle in vielen technischen Anwendungen. Realisierungen solcher Systeme verfügen oft über Zentralinjektoren, die die Reaktanten parallel in eine schnelle Umgebungsströmung einbringen. Entscheidend sind dabei insbesondere die Homogenität der Mischung und die Geschwindigkeit des Vorgangs. Die Strukturen in der Mischungsgrenzschicht, die sich im Nachlauf des Zentralinjektors bilden, sind abhängig von der Injektorgeometrie und den Strömungsbedingungen an der Injektorhinterkante. Während diese Mechanismen für hohe Machzahlen und für inkompressible Strömungen bereits umfassend untersucht wurden, sind transsonische Nachlaufströmungen, wie sie z.B. in beschleunigten Düsenströmungen auftreten, bislang kaum erforscht. Diese Wissenslücke soll im Rahmen dieses Vorhabens geschlossen werden.In der ersten Förderperiode (FP1) wurde dafür ein modularer transsonischer Strömungskanal ausgelegt und gefertigt. Damit wurden u.a. laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) Messungen durchgeführt, um Konzentrationsprofile im Nachlauf zweier verschiedener Injektoren mit unterschiedlicher Hinterkantenposition bei verschiedenen Druckgradienten systematische zu untersuchen. Die in FP1 gewonnen Daten legen nahe, dass die Verteilung des eingebrachten Massenstroms unabhängig von der Position der Injektorhinterkante und vom Druckgradienten in Strömungsrichtung ein selbstähnliches Verhalten aufweist. Mit LIF konnte unter Ausnutzung des Sauerstoffeinflusses auf das Fluoreszenzsignal von Toluol erstmals ein Mischungsdefizit auf molekularer Ebene in der Nachlaufströmung nachgewiesen werden. Die LIF-Experimente wurden durch laserinduzierte Thermoakustik (LITA) und Schlierenfotografien ergänzt. Die exp. Ergebnisse wurden mit numerischen Simulationen (2D und 3D URANS) verglichen.In der zweiten Förderperiode sollen neben der Konzentration auch die Temperatur-, Dichte- und Geschwindigkeitsprofile durch Einsatz komplementärer (Mess-)Techniken (PIV, LIF) und numerischer Simulationen (URANS, DES) weiter auf Selbstähnlichkeit untersucht werden. Zusätzlich sollen versch. neue Injektorgeometrien ausgelegt und gefertigt werden, um zu prüfen ob Selbstähnlichkeit ein universelles Prinzip ist bzw. wo deren Grenzen liegen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird abschließend ein optimierter Injektor ausgelegt und getestet.Zur Charakterisierung der Fluoreszenztracer wurden in FP1 ein Miniatur-Strömungskanal und eine kühlbare Fluoreszenzzelle gefertigt. Letztere soll für FP2 eingesetzt werden, um sowohl den kompletten Temperaturbereich des „großen“ Strömungskanals abzudecken als auch Vergleiche mit Literaturdaten bei Raumtemperatur zu ermöglichen. Die ermittelten Daten werden zur Erweiterung bekannter Fluoreszenzmodelle für Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur genutzt.Am Ende von FP2 wird ein Datensatzes zum Mischungsverhalten in transsonischen Strömungen frei zugänglich bereitgestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen