Experimentelle Untersuchungen von Selbstzündungsprozessen mittels laseroptischen Methoden bei kHz-Wiederholraten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Selbstzündungsprozesse spielen in einer Vielzahl technischer Verbrennungsprozesse eine wichtige Rolle. Selbstzündungsprozesse wurden hinsichtlich ihrer chemischen Induktionszeiten für verschiedene Brennstoffe intensiv untersucht. Jedoch sind neben den chemischen Eigenschaften auch Wechselwirkungen mit dem umgebenden Strömungsfeld, das in technischen Anwendungen fast ausschließlich turbulenter Natur ist, äußerst wichtig. Die Wechselwirkung zwischen einem turbulentem Strömungsfeld und chemischen Reaktionen während des Selbstzündungsprozesses wurden trotz ihrer hohen Relevanz bislang nur wenig untersucht. Dieser Sachverhalt stellte den Ausgangspunkt des Projektes dar, aus dem die Zielstellung abgeleitet wurde. Die übergeordnete Zielstellung des Vorhabens bestand darin, die raum‐zeitliche Dynamik von Selbstzündungsprozessen zu untersuchen. Dies umfasste zwei Aspekte: Zum ersten sollte die Wechselwirkung zwischen dem turbulenten Strömungsfeld und Zündkernen in ihrer frühen Phase und damit während der Induktionszeiten experimentell analysiert werden. Dieses Aufgabenpaket wurde im Antrag als Turbulenz‐Niedertemperaturchemie‐Wechselwirkung bezeichnet. Zum zweiten sollten die Eigenschaften der abgehobenen Flamme sowie die Ausbreitung der Flammenkerne untersucht werden, wenn diese nach dem Ende der Induktionszeit aus den Zündkernen hervorgegangen sind. In einem ersten Schritt wurde ein Prüfstand aufgebaut, der die Untersuchung von Selbstzündungsprozessen unter turbulenten Strömungsbedingungen ermöglicht. Die Strömungsrandbedingungen sollten möglichst kontrolliert und variabel sein. Die Anforderungen hinsichtlich maximaler Gastemperaturen und möglichst kurzer Aufheizzeiten (geringe thermische Masse) führten zu dem Aufbau eines neuartigen Mikrowellen‐Plasma‐Gasheizers. Dieser wurde für einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen charakterisiert. Dies umfasste neben der Bestimmung thermischer und strömungsmechanischer Eigenschaften die Gaszusammensetzung hinsichtlich NO‐, NO2‐ und N2O‐Konzentrationen. Für ausgewählte Betriebsbedingungen und verschiedene Brenngase wurden die Abhebehöhen mittels Flammeneigenleuchten in einer Globalcharakterisierung untersucht. Zur Untersuchung der raum‐zeitlichen Dynamik von Selbstzündungsprozessen wurde die Geschwindigkeitsmesstechnik particle image velocimetry sowie die laserinduzierte Fluoreszenz zum Formaldehyd‐Nachweis und zur Messung von OH‐Radikalen aufgebaut und getestet. Diese Methoden werden nun simultan eingesetzt, um das Entstehen von Selbstzündungskernen und die Wechselwirkung im turbulenten Strömungsfeld besser zu verstehen. Gegenüber der Antragstellung ist dieser letzte Arbeitspunkt verzögert, da für den Aufbau und die Inbetriebnahme der komplexen und in seiner Form einmaligen Versuchsapparatur mehr Zeit als geplant benötigt wurde. Die noch ausstehenden Untersuchungen werden fortgeführt. Trotz dieser Verzögerungen und ausstehenden Messungen wurden wesentliche Projektziele erreicht. Der Prüfstand ist vielseitig einsetzbar und soll daher zukünftig auch für weitere Forschungsarbeiten eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Auto‐ignition of a Hydrogen/Methane Jet in a Preheated Turbulent Co‐Flow", ACEEES 2012
Felix Eitel, Simone Schönfelder, Dirk Geyer, Andreas Dreizler
