Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7266

Zeitaufgelöste Messung der zweidimensionalen Geschwindigkeitsverteilung in einem instationären Gasfreistrahl

K. Rüther, G. Fast, D. Kuhn

Zusammenfassung
Experimentelle Untersuchungen von instationären, turbulenten Freistrahlen in Abhängigkeit von Druck, Temperatur und Strömungsfeld sollen dazu beitragen, die Vorgänge bei der Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen in Brennstoff-Freistrahlen besser verstehen zu können. Dimethylether bildet als Modellbrennstoff das Zündverhalten realer Kraftstoffe ab. Ziel ist die Entwicklung von Modellen, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung in turbulenten Strömungsfeldern erlauben. Um solche Verbrennungsmodelle validieren zu können, werden Messungen der Geschwindigkeitsverteilungen durchgeführt. Mittels Particle Image Velocimetry (PIV) wird die zeitliche und räumliche Entwicklung dieser Geschwindigkeitsverteilung innerhalb eines instationären Gasfreistrahls erfasst. Als Injektionsgase werden hauptsächlich Stickstoff, aber auch Dimethylether eingesetzt. Die Versuche mit Stickstoff als Injektionsgas werden bei 70 bar Eindüsdruck und 40 bar Kammerdruck durchgeführt. Die Messungen liefern Erkenntnisse über das Geschwindigkeitsfeld, die Ausbreitungsrate sowie die Selbstähnlichkeit in den radialen Profilen der Axialgeschwindigkeiten des stationären Endzustands und der instationären Strahlausbreitung.

 Die so gewonnenen Geschwindigkeitsverteilungen in Form von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDF) über das gesamte Geschwindigkeitsfeld stellt die Datenbasis für die numerischen Berechnungen sowie der Modellierung dar. Die Grenzen der Messtechnik beim Einsatz von Dimethylethermessungen in einer heißen Umgebung werden diskutiert.

 Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des SFB 606 „Instationäre Verbrennung, Transportphänomene, Chemische Reaktionen, Technische Systeme“ gefördert.

Time-resolved measurement of the two-dimensional velocity distribution of an instationary gaseous free jet

Abstract
Experimental analysis of transient, turbulent free jets (subject to pressure, temperature and flow field) contributes to the numerical modelling of the hydrocarbon auto-ignition in internal combustion engines. Dimethylether (DME) is used as a model fuel to represent the ignition behaviour of commercial fuels. The specification of the velocity distribution in the turbulent flow field is needed with respect to the spatial and temporal evolution of the free jet. With particle image velocimetry (PIV) the two-dimensional formation of the velocity distribution is detected at different timesteps within a transient gaseous free jet. For the injection nitrogen and Dimethylether is chosen. The experiments with nitrogen as injection gas are carried out at 70 bars injection pressure and 40 bars chamber pressure. The velocity field, the spreading rate as well as the self-similarity of radial profiles in axial direction are obtained in the final steady state as well as the transient evolution of the jet.

The velocity distributions of both components were obtained as probability density functions (PDF’s) for the complete velocity field. These results represent a database for simulations and validation of PDF modelling in ignition. Limitations of the measurement technique by the use of DME in a hot environment are discussed.

This work was granted by the Deutsche Forschungsgemeinschaft within the frame of the SFB 606 „Instationary combustion, transport phenomena, chemical reactions, technical systems”.

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