Laserdiagnostische Untersuchung der Tröpfchenverbrennung an einer turbulenten Freistrahlflamme mittels Raman-Spektroskopie

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Die Untersuchung von Verbrennungsvorgängen gestaltet sich mit herkömmlichen
Mitteln bei mässiger Auflösung in Ort und Zeit sehr ungenau. Oft versagt einem
die schwere Zugänglichkeit zum Ort, an welchem die Verbrennung stattfindet, sogar
jegliche Untersuchungsmethodik, die zu tieferen Erkenntnissen des Verbrennungsvorganges
führt. Mit der Laserspektroskopie lassen sich bei sehr hoher Zeit- und
Ortsauflösung aber genau die Informationen gewinnen, die Reaktanden in einem
thermisch-chemischen Wechselspiel vollführen. Mit dem entscheidenden Vorteil der
Berührungslosigkeit tritt das Laserlicht mit den an der chemischen Reaktion beteiligten
Reaktanden in Wechselwirkung, die nicht nur auf molekülspezifischer Weise
wie ein genetischer Fingerabdruck wichtige Erkenntnisse via Emissionsspektren
liefert, sondern das zu untersuchende Medium in ihrem urspünglichen Zustand unver
ändert lässt. über geeignete Auswertemechanismen lassen sich damit Parameter
wie Molenbruch, Temperaturverteilung, Mischungsbruch, usw. simultan und In Situ
selbst in sehr heissen und aggressiven Zuständen erarbeiten.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine turbulente pilotflammengestützte Freistrahlflamme
mit Hilfe der Ramanspektroskopie laserdiagnostisch untersucht. Mit einem
geeigneten und auf dieses Experiment abgestimmten Auswerteverfahren konnten
Molenbrüche der Spezies (CO2, O2, CO, N2, CH4 , H2O und H2) sowie deren
Standardabweichung, Temperaturverteilung und Mischungsbruch ermittelt werden
und mit Ergebnissen einer hybriden PDF – Simulation verglichen werden. In einem
zweiten Schritt wurden in derselben Flammenkonfiguration Kraftstofftröpfchen
(Ethanol) in die Flamme eingebracht und das modifizierte Brennverhalten rasterartig
über die gesamte Flamme ramanspektroskopisch detektiert. In Bereichen, in
denen sich der Einfluss des flüssigen Kraftstoffs am markantesten auswirkt, wurden
im Vergleich zur reinen Gasflamme die deutlichsten Veränderungen in den Spezies
CO2, O2 und H2O gefunden: Im Bereich des chemischen Gleichgewichts konnte in
einer Höhe von 250mm über dem Brennerkopf und einer radialen Verschiebung von
10mm zur Mittelachse eine Zunahme des Molenbruchs für CO2 detektiert werden.
Der Molenbruch für CO2 liegt mit einem Wert von 0.09 um 10% über dem der
turbulenten Flamme im Einphasenbetrieb (0.08), die Molenbrüche der Spezies H2O
und O2 reduzieren sich auf 0.18 für H2O um 5% (von 0.19) und für O2 auf 0.020 um
17% (von 0.028) (vgl. Kap. 2.1). Die Temperatur liegt für die einphasige turbulente
Flamme bei 2110K und erhöht sich durch die Kraftstoffzufuhr mit 3% auf 2170 K.
Bezüglich CO und H2 sind keine konkreten Aussagen möglich und werden wegen
erschwerter Auswertbarkeit der Ramansignale nur bedingt betrachtet (siehe Kap. 3).
In einer Vorversuchsreihe konnten die tropfenspezifischen Grössen wie Durchmesser
und Abstand der Tröpfchen im Jet erarbeitet werden, die als Grundlage zu den
Messungen der Tröpfchenparameter in der turbulenten Strömung dienten. Hierzu
wurden über verschiedene Frequenzen die Beugungsspektren aufgenommen, aus
welchen sich der Durchmesser sowie Tropfenabstand ermitteln liessen. Bei einer
Frequenz von f=122 Hz und einem Flüssigkeitsdruck von p=4 bar beziffert sich
der Tropfendurchmesser auf 103 µm und steht dem theoretischen Wert von 90.5 µm
mit einer Abweichung von ca. 12% gegenüber. Mit denselben Betriebsparametern
wurde der Tropfenjet in der turbulenten Freistrahlflamme im Zweiphasenbetrieb
gearbeitet. Unter betriebsnahen Bedingungen (turbulente Tropfenumgebung) und
denselben Betriebsparametern wie im Vorversuch konnte eine gute übereinstimmung
zwischen theoretischen und gemessenen Tropfengrössen gefunden werden
[GK86, ARF91, RAF91].