Institut für Technische Thermodynamik (ITT)

Laseroptische Verfahren

Experimentelle Untersuchung turbulenter reagierender Mehrphasenströmungen

Mit Hilfe moderner laseroptischer Verfahrens werden Verbrennungsprozesse von definierten Tropfenketten in einer Erdgas-Umgebungsflamme oder Sprayflammen untersucht. Ergebnisse aus diesen Experimenten können mit Simulationsrechnungen verglichen werden, die den Verdampfungs-, Mischungs- und Verbrennungsvorgang modellieren.

 

 

Für praxisnahe Verbrennungsanordnungen wurde eine turbulente, vorgemischte Freistrahlflamme mit Erdgas als Brennstoff realisiert. über einen Tropfenkettengenerator können Flüssigkeiten eingebracht werden. Zusätzlich lassen sich über Düsen Sprays einbringen.

 

 

 

Mit der Raman-Spektroskopie können die Majoritätenspezies und die Temperatur in der Gasphase ermittelt werden. Die Methodik ist sehr aufwändig, bietet aber die Erfordernisse bzw. Vorteile einer noninvasiven in-situ Messung. Jeder Eingriff in die Flamme mit mechanischen Komponenten würde unweigerlich zu einer Veränderung der chemischen und physikalischen Prozesse und damit zu einem erheblichen Fehler führen. Für die Raman-Spektroskopie werden auf der Anregungsseite zwei Nd:YAG-Laser bei 532 nm mit Pulsenergien von ca. 600 mJ und einer Pulslänge von ca. 6 ns eingesetzt. Um Plasmabildung im Messvolumen zu vermeiden ist eine der Maßnahmen die Pulsaufweitung von ca. 6 ns auf ca. 30 ns über zwei optische Verzögerungsstrecken. Auf der Detektionsseite werden ein achromatisches Objektiv (Achromat), Spektrograph und eine ICCD-Kamera eingesetzt. Achromat und Spektrometer sind in allen Raumrichtungen justierbar, um die Abbildungseigenschaften und Sammeleffizienz zu optimieren.

 

 

Modellierung und Simulation von Tropfen- und Sprayverbrennung

Auch Mehrphasenprozesse lassen sich basierend auf den allgemeinen Erhaltungsgleichungen detailliert simulieren. Wegen des enormen Rechenaufwandes ist man auch hier auf drastische Vereinfachungen angewiesen. So lässt sich z. B. die Verbrennung einzelner Tropfen oder von Tropfengruppen detailliert simulieren, wenn eine Beschränkung auf einfache Geometrien stattfindet. Beispiele sind hier Simulationen von Einzeltropfen, bei denen Erhaltungsgleichungen für die Prozesse in der Gasphase und im Tropfen gelöst werden, welche durch Bilanzgleichungen an der Phasengrenze gekoppelt sind. Es lassen sich insbesondere die für praktische Anwendung wichtigen Zündverzugszeiten bestimmen, die z. T. sehr stark von denen bei einer reinen Gasphasenreaktion abweichen. Dies ist in Abbildung oben dargestellt für die Brennstoffe Methanol, n-Heptan und iso-Oktan in Abhängigkeit von der Temperatur der die Tropfen umgebenden Luft dargestellt. Die Simulationen basieren auf einem detaillierten Gasphasenmodell (detaillierte Reaktionsmechanismen, detaillierte Transportmodelle), sowie auf einer detaillierten Beschreibung der Prozesse im Tropfen und an der Phasengrenze. Charakteristisch ist die Tatsache, dass die Zündverzugszeiten länger sind als die Zündverzugszeiten bei gleichen Bedingungen in einer homogenen stöchiometrischen Gasmischung.

 

Der Einsatz detaillierter Simulationen bei der Beschreibung technischer Verbrennungssysteme (z.B. Dieselmotorische Verbrennung) ist mit einem nicht zu bewältigenden rechnerischen Aufwand verbunden. Die Komplexität bei der mathematischen Modellierung hängt dabei entscheidend von den Eigenschaften des Kraftstoffsprays ab. Eine statistische Formulierung erhält man durch Betrachtung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für das Spray, d.h. die disperse Phase. Analog zur PDF-Transportgleichung für die Gasphase lässt sich die zugrunde liegende Spraygleichung durch Monte-Carlo-Verfahren lösen. Dies ist in der Abbildung unten dargestellt. Schwer zu bestimmen sind jedoch die Austauschterme zwischen disperser Flüssigkeitsphase und Gasphase, die durch die Verdunstungsgeschwindigkeit, die Feinstruktur der Rektionszone um die Flamme und gegebenenfalls sogar durch Prozesse im Tropfen (Konvektion, Wärmeleitung) beeinflusst werden. Auch hier erlauben detaillierte Simulationen einen genauen Einblick in die Koppelung der Strömungs- Transport- und Reaktionsprozesse. So ist z.B. die Simulation der Zündung und Verbrennung von einzelnen Tropfen, aber auch von Tropfengruppen unter Verwendung detaillierter Modelle für die chemische Reaktion und die molekularen Transportprozesse möglich (siehe oben) Ergebnisse solcher Simulationen lassen sich dann als Bibliotheken von Verbrennungsszenarien zur Beschreibung der Sprayverbrennung einsetzen.

 

 

 

Stochastische Verteilung der stochastischen Partikel bei der Modellierung einer turbulenten Sprayflamme. Die Größe der Partikel repräsentiert die Tropfengröße (nicht maßstabgetreu)

 

 

Wissenschaftlicher Mitarbeiter:

 

Dipl.-Ing. Florian Zieker