Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7288
Laseroptische Strömungsdiagnostik
zu Selbstzündungsprozessen bei Freistrahlen
Gerald Fast
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit
beschreibt experimentelle Untersuchungen zum Selbstzündverhalten von
gasförmigen Brennstoff-Freistrahlen mit dem Ziel, eine Datenbasis für die
numerische Modellierung bereitzustellen. Hierzu wurde eine Zündkammer
errichtet, in der ein Freistrahl während der instationären Ausbreitung durch
die vorgeheizte Luft bis 770K in einer Hochdruckatmosphäre bis 40 bar zur
Selbstzündung gebracht wird. Der verwendete Brennstoff ist Dimethylether (DME),
welcher über ein Düsenrohr gasförmig und mit Unterschall-Geschwindigkeit in die
Kammer injiziert wird. Das transiente Verhalten des turbulenten
achsensymmetrischen Geschwindigkeitsprofils am Düsenaustritt wird mit der Laser
Doppler Anemometrie über die optischen Zugänge der Kammer gemessen und
charakterisiert. Der Eindüsvorgang von DME sowie die nachfolgende Selbstzündung
werden mittels eines Hochgeschwindigkeits-Schattenverfahrens visualisiert und
die Zündverzugszeiten detektiert. Die Zündung erfolgt dabei simultan über einen
großen räumlichen Bereich. Trotz der Variation der
Düsenaustrittsgeschwindigkeit bleibt die mittlere Zündverzugszeit konstant, was
darauf hinweist, dass der Zündvorgang von der chemischen Kinetik kontrolliert
wird. Die zugrundeliegende Niedertemperatur-Oxidation weist eine
Zweistufenzündung auf, deren erste und zweite Induktionszeit ebenfalls
aufgelöst wird. Einen ergänzenden Einblick liefern eindimensionale
Flamelet-Simulationen der Selbstzündung mit einem detaillierten
Reaktionsmechanismus für DME. Die gute Übereinstimmung mit den experimentellen
Daten erlaubt es, den Einfluss von Temperatur- und Druckänderung sowie von
Geschwindigkeitsgradienten charakterisiert durch die Streckung mit den Flamelet-Rechnungen
zu untersuchen.
Um Daten für eine PDF-Modellierung der
Selbstzündung bereitzustellen, wird die instationäre Entwicklung des molaren
DME-Mischungsbruchs innerhalb des zeitlichen Zündfensters mit der
Laser-induzierten Fluoreszenz von Aceton-Tracergas bei Eindüsung in Stickstoff
zweidimensional erfasst. Die phasenaufgelösten instationären
Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDFs) lassen sich im gesamten Freistrahlfeld
durch Beta-Funktionen parametrisieren. Unter den gleichen Randbedingungen wird
die Entwicklung des zweidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes bei Eindüsung von
Stickstoff mit Hilfe der Particle Image Velocimetry vermessen. Die radialen
Querschnittsprofile sind sowohl für Mischungsbruch als auch Geschwindigkeit
selbstähnlich. Die Analogie zur stationären Freistrahlausbreitung wird für
beide Fälle diskutiert. Die Messdaten stehen als Basis für die Validierung zur
Verfügung.
Laser-optical flow diagnostics of auto-ignition processes in
open jets
Abstract
This report presents the experimental investigation of the
auto-ignition of gaseous fuel jets. The aim is to provide a data base for the
validation of numerical models. For this purpose an ignition chamber with
optical access was built in which the open jet penetrates a high-pressure
atmosphere up to 40 bars. During the transient evolution the jet autoignites by
the presence of air at temperatures up to 770K. Dimethyl ether (DME) is used as
fuel and is injected in gaseous state through a pipe nozzle. The transient
velocity profile at the nozzle exit is recorded by Laser Doppler Velocimetry. The
temporal development of the turbulent and subsonic velocity profile of the
axis-symmetric jet is characterized. With Highspeed-Shadowgraphy the entire
process of injection and subsequent auto-ignition is captured and ignition
delay times measured. The ignitable part of the open jet reacts simultaneously
over a wide spatial extension. Mean induction times keep constant with varying
nozzle velocities. This indicates the predominance of chemical kinetics
compared with the shorter time scales of mixing. The two-stage ignition
phenomenon is typical for low-temperature oxidation of hydrocarbons which is
also resolved. Supplementary information is gained by one-dimensional flamelet
simulations of the auto-ignition process with a detailed reaction mechanism for
DME. As the simulated and experimental data agree very well, further flamelet
calculations are performed to study the influence of temperature, pressure and
stretch.
For the validation of PDF modelling the non-stationary propagation of the
molar fuel mixture fraction is needed. Therefore the phase-coupled and
two-dimensional distribution of the mixture fraction is measured by Laser
Induced Fluorescence of acetone as tracer gas. The experiments are conducted
during the timeframe of ignition, but non-reactive by the injection into nitrogen
atmosphere. The resulting probability density functions are described by the
parameters of beta functions within the complete area of the open jet. Under
the same conditions the evolution of the two-dimensional velocity field is
detected by Particle Image Velocimetry. The mean radial profiles of both
mixture fraction and velocity are self-similar and the analogy to stationary
jets is discussed. The experimental results provide the necessary data for
validation.
VOLLTEXT
BIBLIOTHEK