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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