Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7280
Orts- und
zeitaufgelöste Untersuchung der Ausbreitung und Mischung eines Freistrahls zu
Selbstzündungsexperimenten
J. Nattier, G. Fast, D.
Kuhn
Zusammenfassung
Im Rahmen des
Teilprojektes A3 des Sonderforschungsbereiches 606 wird die Selbstzündung von
Kohlenwasserstoffen bei der instationären gasförmigen Freistrahlausbreitung in einer
Hochdruckatmosphäre untersucht. Insbesondere im Hinblick auf die Schadstoff-
und Rußminderung bei der motorischen Verbrennung ist ein genaues Verständnis
dieser Prozesse notwendig. Am TROJA-Versuchsstand des Instituts für Kern- und
Energietechnik des Forschungszentrums Karlsruhe werden experimentelle Daten
generiert, um innerhalb dieses Teilprojekts mathematische Modelle validieren zu
können. Zur Beurteilung des turbulenten Mischungsprozesses werden unter anderem
experimentelle Daten in Form von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen der
Gaskonzentration benötigt.
Um die Strömung nicht zu stören, wird als
laseroptisches Messverfahren die planare Laser-Induzierte Fluoreszenz (LIF)
eingesetzt, die bei hoher zeitlicher Auflösung flächige Informationen aus dem
Strömungsfeld liefert. Die Konzentration wird hierzu am instationären
Freistrahl bei Synchronisation mit der Eindüsung phasenaufgelöst erfasst.
Hierfür werden zunächst die relevanten Zeitschritte durch Messung der
Zündverzugszeit von Dimethylether als injiziertes Brenngas ermittelt. Als
Schnittstelle zu früheren Messungen wird anschließend die zeitliche und
örtliche Konzentrationsentwicklung eines nicht-reaktiven Freistrahls durch die Eindüsung
von Stickstoff untersucht. Als passendes Tracergas für die LIF-Messungen wird Aceton
gewählt, welches durch ein geeignetes Injektionssystem dem Stickstoff
beigemischt wird, bevor beides in vermischtem Zustand gasförmig in die
Hochdruckkammer eingedüst wird. Da die Detektion des Fluoreszenzlichtes dem
Einfluss vieler Störfaktoren unterliegt, werden an den Messbildern
entsprechende Korrekturen durchgeführt. Die Messergebnisse werden in zeitlicher
und örtlicher Form abschließend analysiert und die mittlere und statistische Entwicklung
der Konzentration im instationären Freistrahl mit verfügbaren Daten aus der
Literatur verglichen und 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
This work describes the examination of the auto-ignition of
hydrocarbons that evolve as instationary gaseous jet within a high pressure
atmosphere. The investigations are part of the Sonderforschungsbereich 606 and
aim to understand the involved processes with regard to the long-term purpose
of reducing pollutant and soot emissions in internal combustion engines. Experimental
data are generated by the TROJA test facility of the Institute of Nuclear and
Energy Technologies at the Forschungszentrum Karlsruhe. These data are
necessary to validate mathematical models created within this project, for
which the measurement of probability density functions of the gas concentration
is necessary.
The planar laser-induced fluorescence is applied as non-invasive
measurement technique. It provides two-dimensional information from the flow
field with high temporal resolution. The concentration is recorded
phase-coupled from the instationary open jet by synchronisation with the start
of injection. At first the relevant time steps are determined by measurement of
ignition delay times of dimethyl ether as injected fuel. As interface to former
experiments the temporal and spatial evolution of the concentration of the
non-reactive open is then investigated by the injection of nitrogen. Acetone is
used as appropriate tracer gas for the LIF measurements, which is added to the
nitrogen by an injection system. The acquired images are subject to parasitic
influences and therefore are corrected. The temporal and spatial results are
analyzed and the mean and statistical evolution of the concentration in the
instationary open jet is compared and discussed with available data from
literature.
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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