Untersuchung der mageren vorgemischten Wasserstoffverbrennung bei moderaten Drücken

• Antragsteller: Dr.-Ing. Tao Li
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556960810

In diesem Projekt soll die turbulente Verbrennung von mager vorgemischten Wasserstoff/Luft-Flammen unter Druck experimentell untersucht werden, indem fortschrittliche laseroptische Diagnostik entwickelt und eingesetzt wird. Die primären wissenschaftlichen Ziele sind, die turbulenten Flammengeschwindigkeiten zu bestimmen und den Einfluss von thermo-diffusiven Instabilitäten auf mager vorgemischten Wasserstoff/Luft-Flammen unter Druck zu verstehen. Um diese Ziele zu erreichen, soll eine optisch zugängliche Druckbrennkammer für den Betrieb eines turbulenten Jetbrenner aufgebaut werden. Laseroptische Messtechniken sollen weiterentwickelt und eingesetzt werden, um erstmals 3D-Flammenoberflächen und Temperaturverteilungen unter solchen Bedingungen zu quantifizieren. Das vorgeschlagene Forschungsprogramm verfolgt fünf übergeordnete Ziele: 1. Aufbau eines Prüfstands für die Wasserstoffverbrennung unter Druck: Im Projekt soll ein neuer Prüfstand für den Betrieb eines pilotierten, turbulenten vorgemischten Wasserstoffjetbrenners in einer optisch zugänglichen Druckbrennkammer entwickelt werden. Der maximale Druck soll 10 bar betragen. 2. Charakterisierung der makroskopischen Flammeneigenschaften und Strömungsdynamik: Unter Nutzung simultaner Particle Image Velocimetry (PIV) und laserinduzierter OH-Fluoreszenz (OH-LIF) sollen die makroskopischen Strukturen der Flammen und der Strömung charakterisiert werden. Es sollen der Einfluss der effektiven Lewis-Zahlen, der Turbulenz und unterschiedlicher Drücke untersucht werden. 3. Entwicklung einer Methodik zur Messung der 3D-Flammenoberfläche: Die 3D-Flammenoberfläche ist für die Bestimmung der turbulenten Flammengeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Hierfür soll eine neuartige SO2-LIF-Scan-Messtechnik entwickelt werden. 4. Messung der turbulenten Flammengeschwindigkeit: In Abhängigkeit der effektiven Lewis-Zahl, der Turbulenzintensität und des Drucks sollen die turbulenten Flammengeschwindigkeiten von vorgemischten H2/Luft- und N2-verdünnten H2/Luft-Gemischen (d.h. dass H2 aus der Ammoniakspaltung stammt) für ein weites Parameterfeld quantifiziert werden. Diese umfangreiche Datenbasis wird für die Ableitung empirischer Skalierungsgesetze genutzt. 5. Analyse thermo-diffusiver Instabilitäten: Die thermo-diffusiven Eigenschaften von mager vorgemischten Wasserstoff/Luft-Flammen sollen mittels simultaner Flammenfront- und Gastemperaturmessung unter Nutzung von OH-LIF und Rayleigh-Streuung untersucht werden. Diese Analyse wird sich auf die Einflüsse von Druck, Turbulenz und Lewis-Zahl konzentrieren. Die experimentellen Ergebnisse werden in Zusammenarbeit mit externen numerischen Partnern interpretiert. Die gewonnenen Daten sollen unser Verständnis der Dynamik und Struktur vorgemischter Wasserstoffflammen unter Druck verbessern und eine wertvolle Datenbasis für die Validierung numerischer Modelle bieten, die in die in großskaligen Simulationen praktischer Brenner verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen