Selbstentzündung
von Brennstoffsprühstrahlen in Heißgasströmungen
Selbstzündung ist ein wesentliches Hindernis für die
Realisierung der mager vorgemischten Verbrennung (LPP - Lean Premixed Prevaporised)
in modernen, hoch effizienten Flugzeuggasturbinen. Hierbei soll der flüssige
Brennstoff vor der Verbrennung verdampft und mit der Luft vermischt werden. Bei
den hohen Drücken und Lufttemperaturen am Eintritt in die Brennkammer besteht
die Möglichkeit, daß Selbstzündung des Brennstoffs vor dessen Verdampfung und
Vermischung mit der Verbrennungsluft eintritt. Während der Einfluß von Druck,
Temperatur und Äquivalenzverhältnis auf Selbstzündung in der Gasphase bereits
bekannt ist, bleibt die Beschreibung dieses Prozesses bei technisch relevanten
Bedingungen aufgrund der turbulenten Natur der zweiphasigen Strömung sehr
schwierig.
In solchen mageren, kontinuierlich durchströmten Systemen
treten oft instationäre oder periodische Strömungsvorgänge in Wechselwirkung
mit der flüssigen Phase, wodurch die räumliche und zeitliche Verteilung des
flüssigen und des gasförmigen Brennstoffs bestimmt wird. Dies führt zu
Fluktuationen der Wärmefreisetzung, und über die entstehenden Druckpulsationen
kann eine Rückkopplung durch Modulation der Strömung und/oder Modulation der
Brennstoffzufuhr erfolgen, so daß eine selbsterregte Verbrennungsschwingung
entsteht.
Im Rahmen dieses Projektes soll der Fragestellung
nachgegangen werden, wie neben den thermodynamischen Randbedingungen Druck und
Temperatur, insbesondere die Charakteristik des Tropfensprays und die
Konzentration des verdampften Brennstoffs, in Verbindung mit turbulenten
Strukturen, den Vorgang der Selbstzündung beeinflussen. Es soll ermittelt
werden, welche lokalen Bedingungen zum Zeitpunkt der Selbstzündung vorliegen.
Dazu ist vorgesehen, simultane Messungen der flächigen
Verteilung der gasförmigen Spezies und der Strömungsgeschwindigkeit der
gasförmigen und der flüssigen Phase durchzuführen. Die Geschwindigkeiten der
Gasphase werden mittels PIV bestimmt, die Verteilung der Tropfen wird durch Mie
Streuung visualisiert werden. In der Selbstzündfront sollen durch PLIF
Messungen die Konzentrationsverteilung von CH und OH Radikalen bestimmt werden.
Zur Visualisierung periodischer Prozesse soll parallel zu den
simultanen Messungen eine schnelle CCD Kamera in Verbindung mit einem diodengepumpten
Laser eingesetzt werden. Hierdurch sind Bildfolgen von bis zu 16 Bilder bei
einer Frequenz von bis zu 50 kHz möglich. Diese Messungen sollen zeigen,
inwiefern grobskalige oder kohärente Strukturen Einfluß auf die genannten
Prozesse nehmen. Diese Versuche werden bei Drücken bis zu 10 bar und
Temperaturen bis zu 1000 K stattfinden, so daß die Übertragbarkeit auf
technisch relevante Bedingungen gegeben ist.
Basierend auf den experimentellen Ergebnissen sollen
Detailsimulationen der Tropfenverdampfung und -zündung durchgeführt werden, die
die wesentlichen Parameter für den Zündprozeß unter diesen Bedingungen
identifizieren sollen.
Das Projekt B5 ist inhaltlich eng verbunden mit den
Teilprojekten A3 (Selbstzündungsprozesse bei Freistrahlen), B2 (Nicht-adiabate
Flammen in Wechselwirkung zu kalten Wänden und inhomogenen Gemischen) und C3
(Gemischbildung bei Ottomotoren), in denen die Gemischbildung, Zündung und
Flammenausbreitung untersucht wird. Darüber hinaus besteht ein enger
Zusammenhang zu Teilprojekt A2 (Elementarkinetische Prozesse bei der Zündung
von Kohlenwasserstoffen) sowie zu den Teilprojekten B3 / B4 Sprühstrahl /
Wandinteraktionen bei instationärer Gasphase.
