Experimentelle Untersuchung geschichteter magerer Vormischflammen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Gegensatz zu nicht-vorgemischten Flammen besteht bei vorgemischten Flammen ein großes Defizit an verlässlichen experimentellen Daten, die ein besseres Verständnis der Turbulenz-Chemie-Interaktion und eine Validierung numerisch-mathematischer Modelle ermöglichen. Die primäre Zielsetzung des Vorhabens war daher, zur Schließung dieser "Wissens-Lücke" beizutragen. Hierfür wurde ein neuartiger generischer turbulenter Vormischbrenner konzipiert und aufgebaut, der den Betrieb von mager-geschichteten Vormischflammen erlaubt. Geschichtete Vormischflammen wurden ausgewählt, da sie eine große technische Relevanz besitzen. Es wurde eine Vielzahl verschiedener Betriebsbedingungen untersucht, wobei Ladungsschichtung und turbulenter Transport im Bereich der Ladungsschichtung parametrisch variiert wurden. Ausgehend von Methan-Luft-Mischungen wurde aber auch der Brennstoff variiert und Ethen-Luft-Mischungen eingesetzt. Diese Flammen wurden hinsichtlich Strömungs- und Skalarfeld charakterisiert. Es kamen verschiedene laseroptische Methoden wie z.B. die Laser-Doppler-Anemometrie und die particle image velocimetry zur Messung des Strömungs- und Turbulenzfeldes, sowie die planare laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie und die Raman/Rayleigh-Streuung zum Einsatz, um das Skalarfeld zu charakterisieren. Die experimentellen Daten werden im Rahmen des Inter-national Workshop on Measurement and Computation of Turbulent Non-Premixed Flames (TNF) als Target-Flammen genutzt. D.h. verschiedene Arbeitsgruppen, die sich mit der numerischen Simulation von Flammen beschäftigen, nutzen die Datenbasis zur Validierung von Modellen und Codes. Die Besonderheiten des Projektes aus methodischer Sicht bestanden darin, durch eine Kombination von planarer momentaner Geschwindigkeitsmessung und simultaner Flammenfrontdetektion bei sehr hohen Wiederholraten, die Geschwindigkeit der Flammenfrontpropagation insgesamt und die Konvektionsgeschwindigkeit zu messen. Aus der Differenzbildung konnte somit in der Projektionsebene der Laserlichtschnitte eine relative Geschwindigkeit abgeleitet werden, die der projizierten lokalen turbulenten Brenngeschwindigkeit entspricht. Hierfür wurde erstmalig eine Instrumentierung aufgebaut, die die Messung von gleichzeitig Geschwindigkeitsfeld und Flammenkonturen bei einer Wiederholrate von bis zu 5 kHz erlaubte. Jedoch konnte diese im Detail sehr aufwändige Messtechnik bisher nur an einer Gegenstrom-flamme demonstriert werden. Die zweite messtechnische Besonderheit lag in der Verbesserung der Detektionseinheit der eindimensional abbildenden Raman/Rayleigh-Messmethode. Hier wurde ein Transmissionsspektrometer entwickelt, das ein deutlich verbessertes Abbildungsverhalten und eine um den Faktor zwei gesteigerte Transmissionseffizienz gegenüber herkömmlichen Czerny-Turner-Spektrometern aufweist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- EKT-Stratified burner: A generic premixed jet flame series for model validation, 8th International Workshop on Measurement and Computation of Turbulent Non-Premixed Flames, Heidelberg, Germany, 2008.
D. Geyer, M. Prüfert, F. Seffrin, A. Dreizler
- EKT-Stratified Burner: A Generic Premixed Jet Flame Series for Model Validation, 9th International Workshop on Measurement and Computation of Turbulent Non-Premixed Flames, Montreal, Kanada, 2009.
F. Seffrin, F. Fuest, D. Geyer, A. Dreizler
- Lean Stratified Combustion: A Generic Premixed Jet Flame Series for Model Validation, European Combustion Meeting, Wien, Österreich, 2009.
F. Seffrin, F. Fuest, A. Dreizler
- Statistics of relative and absolute velocities of turbulent non-premixed jet flames following spark ignition, PCI 32: 2957-2964 (2009).
C. Heeger, B. Böhm, S.F. Ahmed, R. Gordon, I. Boxx, W. Meier, A. Dreizler, E. Mastorakos
