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

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).