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Experimentelle Untersuchungen zur Entstehung kohärenter, turbulenter Ringwirbelstrukturen in periodisch-instationären Strömungen und Flammen

Nach am Lehrstuhl für Verbrennungstechnik erarbeiteten Erkenntnissen ist für das Auftreten von selbsterregten Druck-/Flammenschwingungen die Bildung und Abreaktion kohärenter, turbulenter Wirbelstrukturen als wichtigster Anregungs-/Erhaltungsmechanismus in technischen Verbrennungssystemen (mit drall- bzw. staukörperstabilisierten Vormisch- und Diffusionsflammen) anzusehen. Die Bedingungen für die periodische Wirbelbildung in Abhängigkeit von den die pulsierende Strömung charakterisierenden Parametern Strouhalzahl und Pulsationsgrad, welche Frequenz und Amplitude der modulierten Brennerausströmung in dimensionsloser Form beschreiben, sind bis heute nicht vorhersagbar.

Die erforderliche Mindeststörung der Brennerausströmung, welche in einem vorgegebenen Verbrennungssystem (Brennergeometrie, Durchsatz (Leistung und Luftzahl) und Brennkammer als Resonator) die Bildung der ersten Ringwirbelstruktur bewirkt, stellt eine für das Auftreten von Verbrennungsschwingungen nach dem Ringwirbel-Mechanismus notwendige Voraussetzung dar.

Im Rahmen der hier durchzuführenden Untersuchungen werden die strömungsdynamischen Bedingungen (Störungsgrad und Störfrequenz der Strömung) für die Entstehung periodischer Ringwirbelstrukturen sowohl in isothermen, pulsierten Strömungsfelder (Axial- und Drallstrahlen) als auch bei verschiedenen Vormischflammen (Axialstrahl- und Drallflammen) bestimmt. Der Anregungsgrad der Strömung wird mit Hilfe der Konstant-Temperatur-Anemometrie (CTA) ermittelt und wird als Pulsationsgrad (Effektivwert der Massenstromschwankung am Brenneraustritt bezogen auf den zeitlich gemittelten Massenstrom) definiert.Die Anregungsfrequenz der Strömung kann mit Hilfe einer am Institut entwickelten Pulsationseinheit eingestellt werden.

Zur Bestimmung von Flammenfrequenzgägen pulsierter Vormischflammen wird als Flammenantwortsignal auf die Massenstromschwankung am Brenneraustritt die zeitliche Änderungen der Strahlungsintensität angeregter OH*-Radikale mit Hilfe eines Photomulipliers ermittelt. Außerdem werden zur Interpretation des frequenzabhängigen Reaktionsverhalten der untersuchten Vormischflammen phasenkorrelierte Bildaufnahmen sowohl der flammenintegralen Strahlungsintensitätsverteilung angeregter OH-Moleküle als auch der 2-dimensionalen Temperatur- und OH-Molekül-Verteilung (aus Rayleighstreuung und OH-LIPF) der periodisch-instationären Flamme herangezogen


Phasenkorrelierte Bildaufnahmen der flammenintegralen Strahlungsintensitätsverteilung
angeregter OH-Moleküle einer periodisch-instationären Vormisch-Drallflamme
für unterschiedliche Anregungsfrequenzen links: f = 5 Hz; rechts: f = 100 Hz


Rayleighstreuung und OH-LIPF: Phasenkorrelierte Bildaufnahmen
der 2-D Temperatur-(links) und OH-Molekül-Verteilung (rechts)
einer periodisch-instationären Vormisch-Drallflamme (f = 100 Hz)

Die numerischen Untersuchungen zu diesem Thema werden von Matthias Hettel durchgeführt, der ebenfalls am Institut für Verbrennungstechnik arbeitet.

Veröffentlichungen:

H. Büchner, Ch. Külsheimer
"Untersuchungen zum frequenzabhängigen Mischungs- und Reaktionsverhalten pulsierender, vorgemischter Drallflammen"
Gas-Wärme-International 46 (1997), Nr. 2, S. 122-129

Ch. Külsheimer, H. Büchner, W. Leuckel, H. Bockhorn
"Untersuchungen der Entstehungsmechanismen für das Auftreten periodischer Druck-/Flammenschwingungen in hochturbulenten Verbrennungssystemen"
VDI-Berichte Nr. 1492 (1999), S. 463-468

Ch. Külsheimer, H. Büchner, H. Bockhorn
"The Importance of Reactive Coherent Ring-Vortices on Combustion-Driven Instabilities"
28th International Symposium on Combustion, Edinburgh/Scotland, July 30 -August 4 2000, Abstracts of Work-in-Progress Posters, 28th International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh PA, 2000, page 174

Ch, Külsheimer, H. Büchner, H. Bockhorn
"The Dynamic Behaviour of Turbulent, Premixed Swirl Flames"
18th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Seattle/Washington USA, July 29 - August 3, 2001


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