Vormischflammen und geschichtete Flammen unter technisch relevanten Bedingungen: Experimentelle Untersuchungen von thermochemischen Zuständen und der Skalargradienten
Final Report Abstract
Ziel des beantragten Teilprojektes war es, ein deutlich erweitertes physikalisch-chemisches Verständnis von Vormischflammen mit und ohne gezielt eingestellter Brennstoffschichtung mittels experimenteller Methoden zu erlangen. Diese Flammentypen haben eine zunehmend größere Relevanz für Magerverbrennungstechnologien, sind aber hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen Turbulenz, Transport und Chemie noch immer wenig detailliert verstanden. Es wurden daher umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einer Freistrahlflammenkonfiguration durchgeführt. Das Hauptaugenmerk lag auf der Analyse des thermokinetischen Zustands für unterschiedliche Betriebsbedingungen, der mithilfe der 1D-Raman/Rayleigh-Spektroskopie in Kombination mit der planaren Rayleigh-Thermometrie umfangreich untersucht wurde. Es wurde ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis bei hoher räumliche Auflösung erreicht, die zur Auflösung der Flammenstrukturen erfolgreich eingesetzt werden konnte. Die experimentellen Daten wurden neben den Projektpartnern auch international von anderen Forschungsgruppen zur Validierung von numerischen Simulationsrechnungen genutzt. Im Projekt wurde in einem ersten Schritt die Methodik der 1D-Raman/Rayleigh-Spektroskopie in Bezug auf die Datenauswertung und Kalibration durch zwei neue laminare Vormischflammenbrenner weiter entwickelt. Auf Basis der verbesserten Methodik wurden unter Verwendung einer Brennergeometrie über Variation der Einströmrandbedingungen drei Klassen von Flammen untersucht: (1) Geschichtete Methan/Luft-Flammen, (2) geschichtete Methan/Luft-Flammen, die mit Wasserstoff kodotiert wurden und (3) reine Vormischflammen mit hohen Reynolds-Zahlen am Brenneraustritt. Die wichtigsten Erkenntnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Bei den geschichteten Methan/Luft-Flammen zeigt sich der Einfluss der Brennstoffschichtung in Vorheiz- und Reaktionszonen. Auf der Produktseite verursacht die Brennstoffschichtung nur eine geringe Temperaturänderung mit vernachlässigbarem Einfluss auf den lokalen Temperaturgradienten, während auf Seiten der Reaktanden der Transport leichter Komponenten wie Wasserstoff erhöht wird, was zu lokal erhöhten Wasserstoffkonzentrationen und lokal erhöhten Temperaturgradienten führt. - Für die reinen Methan/Luft-Vormischflammen bei hohen Reynolds-Zahlen von bis zu 70 000 wurde eine gute Übereinstimmung mit Flamelet-Simulationen gefunden. Damit ergaben sich trotz der mit den hohen Ausströmgeschwindigkeiten verbundenen hohen Geschwindigkeitsfluktuationen keine Hinweise für den Regime-Wechsel hin zu Flammen im broken reaction zone-Regime. - Für die mit Wasserstoff kodotierten geschichteten Vormischflammen ergaben sich leicht erhöhte CO-Konzentrationen in brennstoffreichen Zonen, die jedoch insensitiv in Bezug auf die Brennstoffschichtung waren. Als Folge präferentieller Diffusion wurden bei intermediären Temperaturen erhöhte Wasserstoffkonzentrationen beobachtet, die im Gegensatz zu CO sensitiv von der lokalen Brennstoffschichtung abhängen. Die Auswirkungen der präferentiellen Diffusion unterscheiden sich erheblich von denen undotierter Methan/Luft-Flammen. Alle anderen Hautspezies werden wenig durch die Brennstoffschichtung beeinflusst und hängen vorwiegend von dem lokalen Äquivalenzverhältnis ab.
Publications
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Straub, C., Kronenburg, A., Stein, O. T., Kuenne, G., Janicka, J., Barlow, R. S., & Geyer, D.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.05.021) - (2018). Structure of a stratified CH4 flame with H2 addition. Proceedings of the Combustion Institute
Schneider, S., Geyer, D., Magnotti, G., Dunn, M. J., Barlow, R. S., & Dreizler, A.
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