Rußbildung in
nicht-adiabaten, instationären Flammen in laminarer und turbulenter Strömung
unter Berücksichtigung der Flamme-Wand Interaktion
Die Ausbreitung von nicht adiabaten,
teilweise vorgemischten Flammen in instationären, turbulenten Strömungs-,
Druck- und Temperaturfeldern ist wesentlich für die motorische Verbrennung und
die Verbrennung in Gasturbinen. Hierbei ist insbesondere die Wirkung kalter
Wände (Brennraumwände von Verbrennungsmotoren Brennkammerwände von Gasturbinen)
eine wichtige Einflußgröße, da der strahlungsbedingte Wärmeentzug aus der
Flamme die Struktur der Flamme beeinflußt, die Ausbreitungsgeschwindigkeit
reduziert sowie die Bildung von Schadstoffen (NOx, Ruß) beeinflusst. In diesem
Teilprojekt soll die Rußbildung in nicht-adiabaten Flammen in instationären,
laminaren und später auch turbulenten Strömungsfeldern unter dem Einfluß kalter
Wände untersucht werden.
Die Rußbildung bei der Verbrennung
von Kohlenwasserstoffen ist in den letzten Jahren Gegenstand intensiver
Forschung gewesen. Kürzlich wurden turbulente Flammen mit einer orts- und
zeitauflösenden Lichtschnitt-Technik vermessen, um Einblicke in die Rußbildung
und -oxidation in turbulenten Flammen zu erhalten. Hierbei konnten die
Zeitskalen für die Rußbildung und -oxidation in turbulenten Flammen
identifiziert werden und mit den turbulenten Zeitskalen der Strömung verglichen
werden. Bei mäßigen Reynoldszahlen unterscheiden sich die turbulenten
Zeitskalen so weit von den chemischen Zeitskalen der Rußbildung und -oxidation,
dass sich die Rußbildung und -oxidation schnell lokalen Änderungen der
Gemischzusammensetzung anpasst. Bei der numerischen Simulation der Rußbildung
können daher „fast chemistry“ Annahmen, z.B. Flamelet-Annahmen, gemacht werden.
Hierbei muß allerdings wegen der starken Temperaturabhängigkeit der Rußbildung
und – oxidation außer der lokalen Gemischzusammensetzung und skalaren
Dissipationsrate auch ein lokaler „Wärmeaustauschparameter“ berücksichtigt
werden. Dies ist bei nicht-adiabaten Flammen in turbulenter Strömung unter
transienten Bedingungen ein bisher nicht vollständig gelöst.
In diesem Projekt wird die Rußbildung
in einer Druckbrennkammer (0,1 MPa < p< 10 MPa) an zunächst laminaren
Diffusionsflammen und teilweise vorgemischten Diffusionsflammen unter nicht-adiabatischen
Bedingungen an vorverdampften Brennstoffen (Modellbrennstoffe für Otto- oder
Dieselkraftstoffe) untersucht. Die Vormischung der Diffusionsflammen kann
hierbei an die unterschiedlichen relativen Dauern der vorgemischten bzw.
Diffusionsverbrennung bei der motorischen Verbrennung in direkt einspritzenden
Diesel- und Ottomotoren angepaßt werden. Die Wandeinflüsse werden in Anlehnung
an das Einhubtriebwerk aus Teilprojekt B2 eingestellt. Die Rußbildung wird mit
einer neu entwickelten zweidimensionalen Meßtechnik (RAYLIX) verfolgt. Um
weiter Informationen über die Flammenstruktur unter diesen Bedingungen zu
erhalten, sollen simultan die relative Konzentration verschiedener Spezies (OH,
CH) mit LIF gemessen werden. Im folgenden Arbeitsschritt werden die
untersuchten Flammen mit unterschiedlichen Frequenzen pulsiert, um instationäre
Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder zu simulieren. Ein
längerfristiger Arbeitsschritt besteht in der Untersuchung turbulenter
instationärer Flammen. Ziel dieses Teilprojektes ist die Aufklärung der
Wechselwirkung der Zeitskalen für die instationäre Flammenausbreitung,
Schadstoffbildung und Wärmeübertragung bei instationärer, nicht-adiabater
Verbrennung.
Das Teilprojekt ist eng verzahnt mit
den Teilperojekten B2 (Spicher) und C4 (Spicher/ Suntz). In allen
Arbeitsschritten des Teilprojektes B1 erfolgt eine intensive Zusammenarbeit mit
diesen Teilvorhaben. Aus Teilprojekt A2 (Hippler/Frank) können Informationen
über Mechanismen der Rußbildung erhalten werden. Darüber hinaus besteht enge
Verbindung zu den Teilprojekten B5 (Class/Aigner/Maas) sowie A4 (Dreier/
Hippler), in denen instationäre Flammen experimentell untersucht sowie
modelliert werden bzw. die Schadstoffbildung bei der instationären
Flammenausbreitung unter starken Konzentrationsgradienten untersucht wird. Die
experimentelle Anordnung für die pulsierten Flammen soll analog zu denen in den
Teilvorhaben A4 und A5 ausgelegt werden. Die Ergebnisse dieses Teilprojekts
hinsichtlich der Rußbildung dienen auch zur Weiterentwicklung von Modellen zur
Beschreibung der Rußbildung und - oxidation, die in Verbindung mit diesem
Sonderforschungsbereich vorangetrieben wird (siehe auch Teilprojekt A2).
