Experimentelle Untersuchungen zur
Schwingungsneigung pilotierter Vormischflammen
Das Auftreten selbsterregter, instationärer
Verbrennungsabläufe durch bislang weitgehend unverstandene
Rückkopplungsmechanismen verursacht maßgebliche technische Probleme bei der
Umsetzung fortschrittlicher Verbrennungskonzepte. Es ist daher eine
wesentliche Zielsetzung des beantragten Sonderforschungsbereiches, die diesen
Mechanismen zugrundeliegenden elementaren Vorgänge zu verstehen, um daraus
Optimierungsmaßnahmen für technische Verbrennungsprozesse und
Verbrennungsmaschinen abzuleiten.
Bei vorgemischten Verbrennungssystemen mit hohen
Reaktionsdichten in Form von pilotierten Drallflammen wird vermehrt das
Auftreten von selbsterregten Druck-/ Flammenschwingungen beobachtet.
Hinsichtlich der solche Instabilitäten begünstigenden bzw. auslösenden
Wechselwirkungen und Mechanismen bei pilotierten Vormischflammen mit oft
mehreren überlagerten Strömungsfeldern und Reaktionszonen im Brennernahbereich
fehlen systematische Vorgehensweisen und Konzepte zur Unterdrückung der
Verbrennungsinstabilitäten. Besonders bei pilotierten Vormischflammen wurden
jedoch Störungen bereits in der isothermen Brenneraus-strömung beobachtet, die
durch komplexe Wechselwirkungen der unterschiedlichen Strömungsfelder der
Pilot- und Hauptflamme erzeugt werden und über deren Bildungs- und
Erhaltungsmechanismen kaum Untersuchungen vorliegen. Die isothermen
Strömungsinstabilitäten sind verbunden mit starken zeitperiodischen
Schwankungen der Geschwindigkeit der Brennstoff/Luft-Gemischströmung im
Nahbereich des Brenners mit Amplituden bis zu 50% des zeitlich mittleren
Geschwindigkeitsbetrages und definierten Vorzugsfrequenzen innerhalb jener
Frequenzbereiche, die häufig beim Auftreten selbsterregter
Druck-/Flammenschwingungen beobachtet werden. Insbesondere die vorhandenen
Wechselwirkungen der beschriebenen isothermen Strömungsstörungen bei
pilotierten Vormischflammen mit dem Auftreten von Verbrennungsinstabilitäten
unter periodischer Bildung und Reaktion großskaliger, turbulenter
Ringwirbelstrukturen sind noch weitgehend ungeklärt.
Deshalb sollen in dem beantragten Projekt C1 zunächst die isothermen
turbulenten Strömungsfelder von konzentrischen Pilot- und Hauptflammen
charakterisiert und die beobachteten, selbsterregten isothermen
Strömungsinstabilitäten bezüglich ihrer Vorzugsfrequenzen und Amplituden im
turbulenten Spektrum der Brennerausströmung systematisch in Abhängigkeit vom
mittleren Durchsatz, der Volumenstromaufteilung des Brenners und der
individuellen Brennergeometrie beschrieben werden. Durch die Einführung
dimensionsloser Kennzahlen werden die isothermen Strömungsinstabilitäten,
unabhängig von der individuellen Brennerausführung, für Klassen geometrisch
ähnlicher Brenner charakterisiert, um die beobachteten zeitperiodischen
Störungen der Brennerausströmung auf spezifische Konstruktionsmerkmale
zurückzuführen und somit Auslegungs- und Konstruktionskriterien zur
Vermeidung selbsterregter Strömungsinstabilitäten als Anregungsmechanismen von
Verbrennungsinstabilitäten abzuleiten. Weiterhin werden mit Hilfe der
erzeugten Datenbasis die auftretenden Wechselwirkungen der periodisch-instationären,
isothermen Strömungs- felder in dem Projekt A6 unter Verwendung von Large-Eddy-Simulationen
(LES) modelliert.
Bei den Untersuchungen unter Verbrennungsbedingungen werden
unterschiedliche Pilotflammen, deren Strömungsfelder unverdrallt und verdrallt
ausgeführt sind, mit definierter, einstellbarer Amplitude und Frequenz
periodisch zwangserregt. Betrachtet werden sodann die Wechselwirkungen mit den
konzentrisch überlagerten turbulenten Hauptflammen, die im zeitlichen Mittel
stationär mit Brenngas/Luft-Gemisch versorgt werden, in Bezug auf die Zündstabilisierung
der Hauptflamme, die periodische Verlagerung der Hauptreaktionszone und
insbesondere die Zündung/Reaktion kohärenter Ringwirbelstrukturen. Der Einfluß
des zeitperiodischen Reaktionsumsatzes der Pilotflamme in Hinblick auf die
Stabilität der Hauptflamme wird mit dem Reaktionsumsatzverhalten des
Gesamt-Flammensystems in Form von Flammenfrequenzgängen mit Betrags- und
Phasenverläufen ermittelt.
Aus den Ergebnissen von Projekt A7 (Modellierung einer
Brennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ) in Verknüpfung mit den gemessenen
Flammenfrequenzgängen von Projekt C1 sollen Stabilitätsmodelle zur
Beschreibung des Gesamtsystems (Drallbrenner - pilotierte Drallflamme -
Brennkammer vom Helmholtz-Resonator-Typ) erarbeitet und experimentell abgesichert
werden. Darüber hinaus werden In Teilprojekt A6 die isothermen
Versuchbedingungen mit LES numerisch simuliert.
