Einfluss einer oszillierenden Luftströmung auf den Zerstäubungsprozess bei der Airblast-Zerstäubung

MAGISTER

Es wird erwartet, dass der Luftverkehr in den nächsten Jahrzehnten weiter zunehmen wird. Eine saubere Verbrennungstechnologie für Flugzeugtriebwerke ist eine wichtige Voraussetzung, um die Auswirkungen dieses Wachstums auf die Ökosysteme und die Gesundheit der Menschen zu verringern. Die Vision für die europäische Luftfahrt wird vom Beirat für Luftfahrtforschung und -innovation in Europa in den Flight Path 2050-Zielen geprägt, die strenge Vorschriften für Schadstoffemissionen festlegen.

Um diese Ziele zu erreichen, entwickeln die großen Triebwerkshersteller magere Vormischbrennkammern, die mit sehr hohem Druck betrieben werden. Diese Entwicklung birgt ein großes Risiko für eine geringere Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Triebwerke: Druckschwankungen in der Brennkammer, die sogenannte Thermoakustik.

Die Luftfahrtindustrie ist derzeit mit der vierten industriellen Revolution konfrontiert: Cyber-physikalische Systeme analysieren und überwachen technische Systeme und treffen automatisierte Entscheidungen. Diese industrielle Revolution wird in Deutschland als "Industrie 4.0" und in den USA als "Industrial Internet" bezeichnet. Ein wesentlicher Wegbereiter der vierten industriellen Revolution ist das maschinelle Lernen.

Der ITN MAGISTER wird maschinelles Lernen einsetzen, um die Thermoakustik in Brennkammern von Flugzeugtriebwerken vorherzusagen und zu verstehen, und die Verbrennungsforschung zu einem revolutionären neuen Ansatz in diesem Bereich führen.

Forschung

Ziel dieser experimentellen Forschung ist es, eine Datenbank der Tröpfchencharakteristiken während des sog. "Prefilmer Zerstäubungsprozesses" unter einem oszillierenden Strömungsfeld zu erstellen.

Der Hauptluftstrom wird in zwei verschiedene Kanäle aufgeteilt. Ein bestimmter Teil des gesamten Luftmassenstroms passiert eine Sirene und wird mit bestimmten Frequenzen angeregt, bevor er mit dem restlichen Massenstrom gemischt wird, der durch ein Luftplenum umgeleitet wird. Der Produktluftstrom der Vermischung strömt durch ein 1,5 m langes Resonanzrohr, bevor er bei atmosphärischen Bedingungen in die Airblast-Prefilmerdüse gelangt.

Der entworfene und hergestellte Airblast-Zerstäuber besteht aus einem genormten symmetrischen Profil aus Edelstahl (NACA-0010) mit einer Sehnenlänge von 73 mm und einer Hinterkantenstärke, d.h. einer Zerstäuberlippendicke von etwa 200 μm. Der Hohlraum auf der Innenseite nimmt die Flüssigkeit auf, die dann durch 40 äquidistante Bohrungen auf der Oberfläche des Prefilmers austritt und einen gleichmäßigen Flüssigkeitsfilm erzeugt. Die Luft strömt auf beiden Seiten des Zerstäubers, während der Flüssigkeitsfilm nur eine Seite bedeckt, wodurch die Filmoberfläche eines herkömmlichen Airblast-Zerstäubers nachgebildet wird.

Die Luftströmungsgeschwindigkeit und ihre zeitliche Schwankung aufgrund der Sirene wurde mit Hilfe der Heißdraht-Konstanttemperatur-Anemometrie (CTA) gemessen. Die Datenrate dieses Geräts kann bis zu 100 kHz betragen, was einer der Hauptgründe dafür ist, dass es für die Messung eines Luftstroms, der bei relativ hohen Frequenzen schwankt, bevorzugt wurde.
Die Charakterisierung des Sprühnebels, d. h. der Tropfengeschwindigkeit und des Durchmessers, erfolgte mittels Phasendoppler-Anemometrie (PDA).