Nahezu jede Flamme sendet Eigenstrahlung (Chemilumineszenz) aus, die von chemisch gebildeten kurzlebigen Zwischenprodukten wie den Radikalen OH*, CH* oder C₂* verursacht wird [1] und für das Leuchten im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich verantwortlich ist. Die Flamme eines Bunsenbrenners, der mit einem Gemisch aus Methan und Luft betrieben wird, ist dafür ein gutes Beispiel Abbildung 1(links). Zerlegt man das von der Flamme ausgesandte Licht in einem Spektrometer in seine Wellenlängenbestandteile,so kann man Spektren der Art nach Abbildung 1(rechts) beobachten. Man erkennt charakteristische Emissionsbanden von elektronisch angeregten kleinen Molekülen,wie OH*, CH* und C₂*. Es ist nun von Interesse,ob die Intensität und Form dieser Emissionsbanden quantitative Informationen über den Zustand des Verbrennungsgeschehens liefert, wie z.B. das lokale Brennstof-Luft-Verhältnis, die lokale Wärmefreisetzung, oder die chemischen Vorgänge am Beobachtungsort in der Flamme. Dies wäre auch von großer technischer Bedeutung für eine rein optische, und daher berührungslose Charakterisierung und Überwachung technischer Flammen in Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen oder Motoren.

In diesem Projekt wird die Chemilumineszenz-Strahlung von in Flammengasen vorkommenden elektronisch angeregten Spezies (z.B. OH*, CH*, C2*) mittels klassischer spektroskopischer Verfahren (Spektrometer) untersucht. Zusätzlich will man Auskunft über die lokale Wärmefreistzung in verschiedenen Flamemmen erhalten,die einerseits über die OH*- und CH*- Emissionen aus der Flamme, andererseits über den Nachweis von Radikalen (OH) und Formaldehyde (H2CO) gewonnen werden kann. Letztere werden mithilfe moderner laser-spektroskopischer Diagnostik (z.B. LIF) untersucht. Hierbei wendet man die zweidimensinale LIF an, bei der ein Anregungs-Laserstrahl zu einem dünnen Lichtband geformt und durch did Flammengase geschickt wird, so dass man zweidimensionale Verteilungen der nachzuweisenden Spezies oder Temperaturinformationen aus der Flamme erhält.
Die Beobachtung der Chemilumineszenz-Strahlung ist aus technischer Sicht eine kostengünstige Methode zur Überwachung oder Optimierung des Verbrennungsprozesses, etwa in einem Heizkraftwerk - und daher die Erforschung von Korrelationen zur Wärmefreisetzung oder dem Brennstoff/Luft-Verhältnis von großer Bedeutung. Dazu werden in unserer Gruppe laminare und turbulente Flammen bei unterschiedlichen Bedingungen betrieben, wie z.B. bei variabler Flammenstreckung und - vormischung und in Abhängigkeit von der Art der Strömung (Turbulenz), Brennstoffzusammensetzung und dem Brennstoff/Luftverhältnis. Ein spezieller Brenner für sogenannte Gegenstrom-Diffusionsflammen ist in Abbildung 2 (links) zu sehen. Chemilumineszenz-Signale aus diesen Flammen werden mittels optischer Spektrometer und empfindlichen Kamerasystemen als Detektoren aufgezeichnet.Ein solches Experiment zur Erfassung der Chemilumineszenz-Emissionen aus einer Gegenstrom Flamme zeigt Abbildung 2 (rechts).

Die aus den Chemilumineszenz-Spektren gewonnenen räumlichen Profile einiger der in der Flamme leuchtenden Spezies sind in Abbildung 3 gezeigt; hierbei wurde der Brenner mit von unten anströmender Luft (s.Abbildung 2 links)) von ca. 150 cm/s betrieben.
Neben der Chemilumineszenz wird mit Hilfe der zweidimensionalen Laser-induzierten Fluoreszenz (LIF) bei identischen Betriebsbedingungen der Brenner die räumlich flächige Verteilung der Temperatur, sowie der OH und Formaldehyd (CH₂O) Konzentrationen erfasst.Es ist bekannt, dass eine für die Wärmefreisetzung entscheidende chemische Reaktion in der Flamme zwischen Formaldehyd und OH-Radikalen stattfindet:

CH₂O + OH --> HCO + H₂O

und dass das Produkt der Konzentrationen der Reaktanden ein Maß für die lokale Wärmefreisetzung darstellt. Dazu werden simultan die instantane CH2O- und OH-Verteilung gemessen [2]. Anschließend lässt sich das Produkt der beiden LIF-Signale (I_LIF,CH2O(T)×I_LIF,OH(T)) bilden, welches dann den räumlichen Bereich beschreibt,in dem die Hauptwärmefreisetzung in der Flamme stattfindet. Die so aus (laser)spektroskopischen Messungen gewonnenen Daten dienen dann als experimentelle Datenbasis für die Validierung sowohl der Chemilumineszenz-Messungen als auch von Ergebnissen aus chemisch-kinetischen Simulationsrechnungen zur Chemilumineszenz und Wärmefreisetzung in diesen Verbrennungssystemen. Insgesamt sollen so das Verständnis, die Gültigkeitsbereiche und Grenzen der Chemilumineszenz-Detektion zur Charakterisierung technischer Verbrennungssysteme erforscht werden.