Turbulente Flammen und Strömungen: Nicht vorgemischte Drallflamme

Verbrennung setzt ein Mischen von Brennstoff und Oxidator voraus. Findet der Mischprozess in einer von der Brennkammer separaten Mischkammer statt, so spricht man von einem Vormischbrenner. Dieser birgt grundsätzlich das Risiko eines Flammenrückschlages in die Mischkammer.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Brennstoff und Luft erst in der Brennkammer zusammenzuführen. Die Gefahr eines Flammenrückschlages besteht dann nicht, dafür ist eine gleichmäßige Mischung von Brennstoff und Oxidator schwieriger zu realisieren. Ein in technischen Brennern häufig angewandtes Prinzip zur Optimierung des Mischungsprozesses ist das sogenannte Drallprinzip. Bei dem hier untersuchten Erdgas-Drallbrenner wird das Erdgas axial in die Brennkammer geleitet, umgeben von der zugeführten Verbrennungsluft, deren Strömung außer einer Axial- auch eine Radial- und Tangentialkomponente (Verdrallung) besitzt. Das resultierende Strömungsfeld ist hochturbulent. Es transportiert heiße Verbrennungsgase in Richtung der Einströmdüsen und gewährleistet so effektive Mischungs- und stabile Zündbedingungen.

 

 

Abbildung 1: Laser-basierte Temperaturmessung mittels Rayleigh-Streuung in einer Drallflamme

 

 

Abbildung 2: Anordnung der Messposition der Aufnahmen in Abb. 3 im Strömungsfeld der Drallflamme. Die Drallflamme hat eine thermische Leistung von 150 kW.

Ziel dieser Arbeiten ist die Untersuchung des Drallbrenners mit laserspektroskopischen Mitteln. Im Vordergrund stehen Experimente, die eine flächenhafte Information über Konzentrationen und Temperaturen liefern. Dies wird durch die sogenannte Lichtschnittechnik ermöglicht.
Als Beispiel ist in Abbildung 1 rechts eine gemittelte Temperaturverteilung, links die durch einen einzelnen Laserpuls erhaltene Temperaturverteilung dargestellt. Das Messprinzip beruht auf Detektion des elastisch gestreuten Laserlichtes (Rayleighstreuung). Die kältesten Bereiche findet man in der verdrallten Verbrennungsluft, die heißesten Zonen liegen auf der Brennerachse in der inneren Rezirkulationszone.

Abbildung 3: Simultane Messungen von Temperatur (über Rayleigh-Streuung), NO und OH (jeweils über Laser-induzierte Fluoreszenz) in der Drallflamme. Bilder in einer Zeile sind simultan detektiert und erlauben die Analyse der Korrelation der gemessenen Größen.

Im gleichen Experiment (Abb. 3) wurden darüber hinaus simultane abbildende Multi-Spezies-Messungen durchgeführt. Die Temperatur wurde mittels der Beobachtung von Raleigh-Streuung (248 nm) bestimmt, OH wurde bei 248 nm im AX (3,0) Band und NO bei 226 nm im AX (0,0) Band angeregt und über Laser-induzierte Floureszens detektiert.

Literatur:
[1] J. Kazenwadel, W. Koban, T. Kunzelmann, and C. Schulz, "Fluorescence imaging of natural gas / air mixing without tracers added," Chem. Phys. Lett. 345, 259-264 (2001).
[2] S. Böckle, J. Kazenwadel, T. Kunzelmann, D.-I. Shin, C. Schulz, and J. Wolfrum, "Simultaneous single-shot laser-based imaging of formaldehyde, OH and temperature in turbulent flames," Proc. Combust. Inst. 28, 279-286 (2000).
[3] S. Böckle, J. Kazenwadel, and C. Schulz, "Laser-diagnostic multi-species imaging in strongly swirling natural gas flames," Appl. Phys. B 71, 741-746 (2000).