Strukturanalyse turbulenter Flammen mit Hilfe abbildender laserspektroskopischer Verfahren
Turbulente magere vorgemischte Flammen spielen aufgrund ihres reduzierten Schadstoffausstoßes bei der Energieumwandlung eine bedeutende Rolle. Verbrennungsinstabilitäten bergen jedoch ein erhöhtes Risiko im technischen Einsatz, da z.B. thermoakustische Schwingungen in Gasturbinen zu verstärkter Materialbeanspruchung führen. Dies stellt auch im Bereich der Flugzeugturbinen eine erhebliche Gefahr dar. Numerische Simulationen erlauben, die Prozesse bei der Verbrennung besser zu verstehen, jedoch sind Direkte Numerische Simulationen technischer Flammen mit heutigen Computeranlagen noch nicht möglich. Vereinfachte Verfahren stützen sich daher häufig auf experimentelle Daten, welche helfen, den erforderlichen Rechenaufwand zu reduzieren. Dazu befasst sich diese Arbeit mit der Bestimmung von Spezieskonzentrationsverteilungen und deren Gradienten in turbulenten Flammen mittels abbildender laserinduzierter Fluoreszenz. Es wird eine Methodik beschrieben, die es ermöglicht, Gradienten im dreidimensionalen Raum für Punkte entlang der Schnittlinie zweier sich senkrecht schneidender Messebenen zu bestimmen. Mittels eines KrF-Excimerlasers mit einer Wellenlänge von 248 nm wurde der A–X(3,0)-Übergang von OH in einer vorgemischten staukörperstabilisierten Erdgas-Luft-Flamme angeregt und die Fluoreszenz in den zwei Messebenen bei 295 nm mit zwei bildverstärkenden CCD-Kameras detektiert. Simultane 1D-Raman-Messungen ermöglichten, die Daten entlang der Schnittlinie mit simultanen Temperatur und Majoritätenspezieskonzentrationen zu vergleichen. Aus den OH-Konzentrationsverteilungen wurden Konzentrationsgradienten im dreidimensionalen Raum berechnet und bezüglich ihrer Korrelation zur lokalen Konzentration untersucht. Solche Korrelationen können zur Vereinfachung von Simulationsansätzen und zu deren Validierung beitragen. Es wurde auch ein Vergleich des realen Gradienten mit seiner Projektion auf jede der Messebenen durchgeführt, da der Betrag durch die Projektion auf die Messebene vom Betrag des realen Gradienten abweicht. In einem zweiten Experiment wurden Messungen in einem einzelnen Modellbrenner einer stationären Gasturbine unter turbinennahen Betriebsbedingungen durchgeführt. In einer nicht-vorgemischten und einer vorgemischten Erdgas-Luft-Flamme mit und ohne Pilotierung wurde mittels eines XeCl-Excimerlasers bei 308 nm der A-X(0,0)-Übergang von OH angeregt. Die Detektion in einer Messebene entlang der Brennerachse erfolgte resonant bei 308 nm mit Hilfe einer bildverstärkenden CCD-Kamera. Anhand des steilsten Gradienten wurde aus den zweidimensionalen Konzentrationsverteilungen die Flammenfront bestimmt. Die statistische Auswertung der Flammenfronten erlaubte einen Vergleich der Charakteristika der untersuchten Flammen. Ein Vergleich mit der Simulation ergab gute Übereinstimmungen. Neben den stationären Flammen wurden auch zwei Betriebsbedingungen untersucht, bei denen Verbrennungsinstabilitäten auftraten. Kraftstoffschwankungen aufgrund von Strömungsfluktuationen führen zu Oszillationen der Verbrennung, die sich mit Geschwindigkeitsfluktuationen in der Brennkammer zu starken thermoakustischen Schwingungen verstärken können und das System mechanisch belasten. Ein besseres Verständnis der Wirkketten bei der Entstehung dieser Fluktuationen ist daher von grundlegender technischer und theoretischer Bedeutung.
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