Laserdiagnostische Untersuchung der Tröpfchenverbrennung an einer turbulenten Freistrahlflamme mittels Raman-Spektroskopie

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• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2010
• eBook ISBN:
  9783736932944
• Print ISBN:
  9783869552941
• Edition: 1

Die Untersuchung von Verbrennungsvorgängen gestaltet sich mit herkömmlichenMitteln bei mässiger Auflösung in Ort und Zeit sehr ungenau. Oft versagt einemdie schwere Zugänglichkeit zum Ort, an welchem die Verbrennung stattfindet, sogarjegliche Untersuchungsmethodik, die zu tieferen Erkenntnissen des Verbrennungsvorgangesführt. Mit der Laserspektroskopie lassen sich bei sehr hoher Zeit- undOrtsauflösung aber genau die Informationen gewinnen, die Reaktanden in einemthermisch-chemischen Wechselspiel vollführen. Mit dem entscheidenden Vorteil derBerührungslosigkeit tritt das Laserlicht mit den an der chemischen Reaktion beteiligtenReaktanden in Wechselwirkung, die nicht nur auf molekülspezifischer Weisewie ein genetischer Fingerabdruck wichtige Erkenntnisse via Emissionsspektrenliefert, sondern das zu untersuchende Medium in ihrem urspünglichen Zustand unverändert lässt. über geeignete Auswertemechanismen lassen sich damit Parameterwie Molenbruch, Temperaturverteilung, Mischungsbruch, usw. simultan und In Situselbst in sehr heissen und aggressiven Zuständen erarbeiten.In der vorliegenden Arbeit wurde eine turbulente pilotflammengestützte Freistrahlflammemit Hilfe der Ramanspektroskopie laserdiagnostisch untersucht. Mit einemgeeigneten und auf dieses Experiment abgestimmten Auswerteverfahren konntenMolenbrüche der Spezies (CO2, O2, CO, N2, CH4, H2O und H2) sowie derenStandardabweichung, Temperaturverteilung und Mischungsbruch ermittelt werdenund mit Ergebnissen einer hybriden PDF - Simulation verglichen werden. In einemzweiten Schritt wurden in derselben Flammenkonfiguration Kraftstofftröpfchen(Ethanol) in die Flamme eingebracht und das modifizierte Brennverhalten rasterartigüber die gesamte Flamme ramanspektroskopisch detektiert. In Bereichen, indenen sich der Einfluss des flüssigen Kraftstoffs am markantesten auswirkt, wurdenim Vergleich zur reinen Gasflamme die deutlichsten Veränderungen in den SpeziesCO2, O2 und H2O gefunden: Im Bereich des chemischen Gleichgewichts konnte ineiner Höhe von 250mm über dem Brennerkopf und einer radialen Verschiebung von10mm zur Mittelachse eine Zunahme des Molenbruchs für CO2 detektiert werden.Der Molenbruch für CO2 liegt mit einem Wert von 0.09 um 10% über dem derturbulenten Flamme im Einphasenbetrieb (0.08), die Molenbrüche der Spezies H2Ound O2 reduzieren sich auf 0.18 für H2O um 5% (von 0.19) und für O2 auf 0.020 um17% (von 0.028) (vgl. Kap. 2.1). Die Temperatur liegt für die einphasige turbulenteFlamme bei 2110K und erhöht sich durch die Kraftstoffzufuhr mit 3% auf 2170 K.Bezüglich CO und H2 sind keine konkreten Aussagen möglich und werden wegenerschwerter Auswertbarkeit der Ramansignale nur bedingt betrachtet (siehe Kap. 3).In einer Vorversuchsreihe konnten die tropfenspezifischen Grössen wie Durchmesserund Abstand der Tröpfchen im Jet erarbeitet werden, die als Grundlage zu denMessungen der Tröpfchenparameter in der turbulenten Strömung dienten. Hierzuwurden über verschiedene Frequenzen die Beugungsspektren aufgenommen, auswelchen sich der Durchmesser sowie Tropfenabstand ermitteln liessen. Bei einerFrequenz von f=122 Hz und einem Flüssigkeitsdruck von p=4 bar beziffert sichder Tropfendurchmesser auf 103 µm und steht dem theoretischen Wert von 90.5 µmmit einer Abweichung von ca. 12% gegenüber. Mit denselben Betriebsparameternwurde der Tropfenjet in der turbulenten Freistrahlflamme im Zweiphasenbetriebgearbeitet. Unter betriebsnahen Bedingungen (turbulente Tropfenumgebung) unddenselben Betriebsparametern wie im Vorversuch konnte eine gute übereinstimmungzwischen theoretischen und gemessenen Tropfengrössen gefunden werden[GK86, ARF91, RAF91].