Teilprojekt B4

Sprühstrahl/Wand - Interaktion bei instationärer Gasphase

Die experimentelle Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen kleinen Tropfen und Wänden mit und ohne Flüssigkeitsfilm steht im Mittelpunkt des Teilprojektes B4. Ziel ist es, diese Wechselwirkungen zu analysieren und zur Erarbeitung geeigneter numerischer Modelle zur Verfügung zu stellen. Kleine Tropfen (<50µm), wie sie sowohl für die Benzin- Direkteinspritzung als auch für moderne Gasturbinen-Brennkammern von großer Bedeutung sind, erfordern eine neue Definition der Wandinteraktion. Bei diesen sehr kleinen und leichten Tropfen dominieren die Widerstandskräfte gegenüber den Trägheitskräften. Daher kann sich der Wandeinfluss durch die Wandgrenzschicht, die wiederum von periodischen Störungen und vom Turbulenzgrad der Strömung stark beeinflusst wird, und auch die von einem dichten Sprühstrahl induzierte und von der Wand beeinflusste Luftströmung in der Tropfenbahn bemerkbar machen. Eine Interaktion von Tropfen mit der Wand kann also auch indirekt stattfinden, ohne dass die Tropfen mit der Wand in direkten Kontakt treten. Zur Analyse der Wandinteraktion werden Sprühstrahlexperimente an einer Temperatur-Druck-Kammer, an einem Modellbrennraum mit variabler Queranströmung und in der turbulenten Atmosphäre des Einhubtriebwerks durchgeführt. Zum Erhalt einer möglichst umfassend geltenden Datenbasis werden jeweils Tropfengröße, Wandtemperatur und Strömungszustand der Luft variiert.

Prüfstände:

Temperatur-Druck-Kammer (IfKM):

Der Prüfstand besteht aus einer bis ca. 220°C heizbaren, zylindrischen Druckkammer (bis 25bar). Sie besitzt drei optische Zugänge, jeweils mit einem Durchmesser von d=80mm. Diese sind durch Quarzglas verschlossen. Der Injektor wird von oben mittig in die Kammer eingebracht. Die Aufnahme für den Injektor ist mit einer Wasserkühlung ausgestattet, so dass dieser auch bei hohen Kammertemperaturen auf 20°C gekühlt werden kann. In Abb. 1 ist der Funktionsaufbau der Druckkammer skizziert.

Modellbrennraum (IfKM):

An einer transparenten Durchflussmessstrecke (Abb. 2) kann der Einfluss der Luftbewegung auf das Spray und die Interaktion mit der Oberfläche einer auf bis zu 160°C beheizbaren Prallplatte untersucht werden. Hierbei werden die Luft-Kraftstoff-Interaktion und die Wechselwirkung des eingespritzten Kraftstoffs mit der Oberfläche durch optische Messtechniken erfasst. Die einstellbare Luftgeschwindigkeit beträgt in dem quadratischen Querschnitt mit einer Fläche von 100x100mm maximal 20 m/s. Zur Einstellung der gewünschten Geschwindigkeit wird der gewünschte Luftmassenstrom eingestellt. Die Messstrecke ist mit einem quadratischen Querschnitt ausgeführt, um die bestmögliche, optische Zugänglichkeit zu erhalten. Die Kontrolle der Geschwindigkeiten erfolgt über die Particle-Image-Velocimetry. Zur Analyse des Verdampfungsverhaltens wird während und nach der Einspritzung die HC- Konzentration mittels eines Fast Response FID im Kanal zeitlich hoch aufgelöst erfasst.

Druckkammer (ITS):

Eine weitere Druckkammer erlaubt die Untersuchung des Tropfen-Wand- Aufpralls mit optischen Messtechniken unter erhöhtem Druck bis 10bar (Abb. 3). In die Druckkammer sind ein Tropfenkettengenerator und ein beheiztes Wandelement integriert. Der Tropfenkettengenerator kann unter Druck monodisperse äquidistante Tropfen aus Isooktan zwischen 50µm und 200µm Durchmesser mit Geschwindigkeiten zwischen 5m/s und 20m/s erzeugen. Das Wandelement bildet die physikalischen Eigenschaften eines Kolbenbodens nach und kann bis auf 410°C beheizt werden, was bei 10bar einer dimensionslosen Wandtemperatur von T*=1,4 entspricht. Die optischen Zugänge sind für Auflicht, Lichtschnitt, Schattenlicht, LDA, PDA, PIV und PTV geeignet. Die Erweiterung zur Anwendung von IR-Messverfahren ist geplant.

Eingesetzte Messtechniken:

• Schattenrissverfahren (Visualisierung)
• Laser Doppler Anemometrie (LDA)
• Phase Doppler Anemometrie (PDA)
• Lichtschnittvisualisierungen (Mie-Streulicht)
• Particle Image Velocimetry (PIV)
• Particle Tracking Velocimetry (PTV)
• Fast Response FID

Ergebnisse:

Nachfolgend sind exemplarisch einige Ergebnisse aus den Untersuchungen dargestellt. Die Abb. 4 zeigt die Interaktion eines Isooktan- Kraftstoffstrahls aus einem Hohlkegel-Drall-Injektor mit einer auf 165°C beheizten Platte gemessen in der Temperatur- Druck-Kammer. Dabei beträgt der Einspritzdruck 80bar, die Einspritzzeit 2,0ms und der Kammerdruck 4bar. Die Messungen wurden mit dem Lichtschnittverfahren durchgeführt. Dargestellt sind jeweils die aus 25 Einspritzungen gemittelten Tropfenaufenthaltswahrscheinlichkeiten. Im linken Teil der Abbildung ist der Zeitpunkt 1,5ms nach Ansteuerbeginn dargestellt, in dem der Strahl gerade die Oberfläche erreicht. Im rechten Teil ist der Zeitpunkt 2,5ms nach Ansteuerbeginn zu sehen, bei dem die Einspritzung selbst bereits abgeschlossen ist. Die größten Aufenthaltswahrscheinlichkeiten finden sich hier in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche.

In Abb. 5 sind Ergebnisse aus Messungen im Lichtschnittverfahren aus dem durchströmten Modellbrennraum dargestellt. Bei diesen Untersuchungen wurden die Sprühstrahl-Wand-Interaktion und das Verdampfungsverhalten des eingespritzten Isooktans unter Variation der Prallplattentemperatur und der Anströmgeschwindigkeit (in der Abbildung horizontal von rechts, 10 m/s) untersucht. In Abb. 5 (links) ist das Aufspritzen auf eine Platte mit 25°C zum Zeitpunkt 1,8ms nach Injektor-Ansteuerbeginn dargestellt. Die Platte befindet sich in einem Abstand von 55mm zum Injektor. Der Einspritzdruck beträgt 100bar, die Einspritzzeit 2,0ms. Im rechten Teil der Abb. 5 ist die Einspritzung bei 140°C Plattentemperatur und sonst unveränderten Parametern dargestellt.

Um ein umfassenderes Verständnis für die ablaufenden Prozesse zu gewinnen eignen sich insbesondere Zeitverläufe, die den kompletten Ablauf des Einspritz- und Interaktionsprozesses übersichtlich darstellen. Deshalb wird an dieser Stelle ein Film im AVI-Format zur Verfügung gestellt, die eine Animation der in Abb. 5 bereits dargestellten zwei Konfigurationen in einem Zeitbereich von 0,8 bis 10ms nach Ansteuerbeginn beinhaltet. Zu sehen ist wiederum links der Ablauf bei 25°C Plattentemperatur; im rechten Teil der Animation ist zeitsynchron der Prozess bei 140°C Plattentemperatur dargestellt. Deutlich zu erkennen sind die bei 140°C nach Abschluss der Einspritzung auf der Plattenoberfläche verbleibenden Blasen.

In Abb. 6 werden Ergebnisse aus Messungen mit dem Erweiterten Particle Tracking Velocimetry Verfahren an der Druckkammer gezeigt. Bei dieser Messreihe wurde die Tropfenketten-Wand-Interaktion von Isooktan unter Variation verschiedener Parameter untersucht. In der vorliegenden Abbildung wurde die Primärtropfengeschwindigkeit variiert, bei sonst konstanten Bedingungen und einem Druck von 3bar (a). Deutlich zu erkennen ist der Regimeübergang von Blasensieden zu Filmsieden. Mit der Primärtropfengeschwindigkeit ändern sich auch Geschwindigkeit, Durchmesser, Eindringtiefe und Kegelwinkel der Sekundärtropfen. Anhand dieser Daten kann eine Modellbildung durchgeführt werden.