Butz, David (2020)
Experimentelle Untersuchung turbulenter regimeübergreifender Flammen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00014249
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Gegenstand dieser Arbeit ist die detaillierte lasermesstechnische Untersuchung einer Serie von turbulenten regimeübergreifenden Flammen. Derartige Flammenkonfigurationen sind geprägt von Bereichen, in denen sich vorgemischte und nicht-vorgemischte Flammenzonen in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander befinden, miteinander interagieren und unterschiedlich stark zur Brennstoffumsetzung und Wärmefreisetzung beitragen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Brenner entwickelt, der sich gegenüber den aus der Literatur bekannten Laborbrenner-Konfigurationen durch eine verbesserte optische Zugänglichkeit und besser definierte und charakterisierbare Randbedingungen auszeichnet. Eine Serie von auf diesem neuartigen Brenner stabilisierten turbulenten regimeübergreifenden Methan-Luft-Flammen unterschiedlicher Mischungszusammensetzungen und Strömungsgeschwindigkeiten war Gegenstand umfangreicher lasermesstechnischer Untersuchungen. An der Combustion Research Facility (CRF) der Sandia National Laboratories (Livermore, Kalifornien) wurden Skalarmessungen mittels kombinierter Raman-/Rayleigh-Spektroskopie sowie laserinduzierter Fluoreszenz des CO-Moleküls durchgeführt. Am Institut für Reaktive Strömungen und Messtechnik (RSM) der TU Darmstadt wurden an einer Vergleichsflamme und zwei zusätzlichen Flammenkonfigurationen ebenfalls kombinierte Raman-/Rayleigh-Skalarmessungen sowie Geschwindigkeitsmessungen mittels Particle Image Velocimetry (PIV) und simultane Versuche zur Flammenvisualisierung mittels laserinduzierter Fluoreszenz des SO2-Moleküls durchgeführt. Die Anregungsseite des Raman-/Rayleigh-Aufbaus am RSM wurde im Rahmen dieser Arbeit komplett neu aufgebaut. Zudem stellen die in dieser Arbeit präsentierten Messungen die ersten umfangreichen Experimente an turbulenten Flammen mit der kürzlich in einer vorangegangenen Arbeit überarbeiteten Detektionsseite des Prüfstandes dar. Der experimentelle Aufbau sowie die Vorgehensweise zur Kalibration, Datenvorbereitung und -auswertung mit der Methode der hybriden Matrix-Inversion werden in der vorliegenden Arbeit ausführlich dargestellt. Die untersuchten Flammenkonfigurationen zeigen hinsichtlich ihres globalen Erscheinungsbildes einige typische Merkmale. Allen Flammenkonfigurationen gemein ist die Ausbildung einer ausgedehnten Rezirkulationszone, die die Verbrennung brennstoffreichen Gemisches aus einer zentralen Jet-Strömung in einer abgehobenen inneren Reaktionszone durch die Rückströmung heißer Verbrennungsprodukte aus einer mageren äußeren Vormischflamme fördert. Diese beiden Reaktionszonen bleiben in allen Flammenkonfigurationen über die gesamte Höhe der Flammen räumlich deutlich voneinander getrennt. Beide Reaktionszonen werden in der vorliegenden Arbeit hinsichtlich ihrer Lage im Orts- und Zustandsraum, ihrer Interaktion und des Grades der lokalen Stratifizierung des Mischungsfeldes eingehend untersucht. Die Anteile vorgemischter, nicht-vorgemischter und regimeübergreifender Flammenzonen innerhalb der inneren Reaktionszone wurden für zwei Flammenkonfigurationen mit der kürzlich entwickelten Methode Gradient Free Regime Identification (GFRI) analysiert. Sämtliche an der CRF vermessenen Flammen wurden zusätzlich hinsichtlich der lokal vorliegenden Werte eines gradientenbasierten Regime-Index untersucht. Es zeigt sich, dass der Anteil regimeübergreifender Prozesse an der Verbrennung in der inneren Reaktionszone je nach Flammenkonfiguration und Messposition teilweise mehr als 75% erreicht. Dieser Anteil ist abhängig von der über die Flammenkonfigurationen hinweg variierten Mischungszusammensetzung im brennstoffreichen Jet und der Ausströmgeschwindigkeit reiner Luft aus einem umgebenden Ringspalt. Es stehen nun umfangreiche experimentell gewonnene Skalar- und Geschwindigkeitsdaten zu Flammen mit parametrisch variierten Mischungs- und Strömungsbedingungen am Einströmrand des Brenners und daraus resultierenden variierenden Anteilen vorgemischter, nichtvorgemischter und regimeübergreifender Verbrennung als Validierungsbasis für numerische Untersuchungen sowie für weitergehende Analysen zur Verfügung.

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