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NICOLET - Non-Intrusive Combustion Measurement by Laser-excitation

Experimentelle Untersuchung von Flammen-Instabilitäten

Hintergrund
Am Institut wird ein Computerprogramm zur Simulation von Flammen auf der Basis einer Level-Set Formulierung entwickelt.
Zur Validierung des Programms und der implementierten Modelle wird ein charakteristisches und belastbares Experiment mit enger Kopplung zwischen Strömung und chemischer Reaktion/Verbrennung benötigt. Diese Voraussetzungen werden von Zellularflammen, die auf laminaren flachen Vormischflammen auftreten, erfüllt.

Einleitung
Die Bildung von Zellularflammen basiert primär auf der thermisch-diffusiven Instabilität, wobei die Lewis-Zahl, das Verhältnis aus thermischer Diffusivität zu Stoffdiffusivität, als bestimmende Kennzahl auftritt. Diese Instabilität resultiert aus dem Unterschied der Grenzschichtdicken von Wärme- und Stofftransport und der gekrümmten Oberfläche der leicht gestörten Flamme.

Zellularflamme

Projektziele
Das Ziel des Projekts besteht im Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den numerischen Berechnungen.
Neben der Variation der Gaszusammensetzung und –geschwindigkeit sowie der Verwendung unterschiedlicher Brenngase sollen auch zweidimensionale Verteilungen von Geschwindigkeit, Temperatur und Spezies-Konzentration ermittelt werden. Die Experimente sollen einen umfangreichen Datensatz zur Entwicklung neuer Flammenmodelle bereitstellen.

Experimenteller Aufbau

Lasersystem

Das Experiment besteht aus einem atmosphärischen Flachflammenbrenner (McKenna-Brenner). Das in der Abbildung dargestellte Lasersystem zur Messung von Laserinduzierter Fluoreszenz und Rayleigh-Streuung besteht aus einem Nd-Yag-Laser und einem nachgeschalteten Farbstofflaser. Das so erzeugte Licht wird über ein Linsensystem zu einem Lichtschnitt aufgeweitet und dann horizontal oder vertikal ausgerichtet durch die laminare Vormischflamme geführt
Ergebnisse

NICOLET

Links: Fotografie einer Zellularflamme mit einer einzelnen lokalisierten Zelle in der Brennermitte.
Rechts: Numerische Simulation mit einer Zelle

 
Schnitte

Darstellung der Verteilung des OH-Radikals mittels Laserinduzierter Fluoreszenz
Links: Horizontaler Schnitt 4mm über dem Brenner. Rechts: Vertikaler Schnitt

 
Temperaturverteilung

Temperaturverteilung in einem vertikalen Schnitt einer Flamme mit vielen
Zellen. Durch den Farbumschlag kann die Temperaturerhöhung
in den Zellzentren erkannt werden.

 
zweidimensionale Gasgeschwindigkeit

Messung der zweidimensionalen Gasgeschwindigkeit mittels Particle Image Velocimetry und Feststofftracer.

Ansprechpartner:
Dietmar Kuhn, email: dietmar.kuhn at kit.edu