In technischen Verbrennungsprozessen spielt die Interaktion der Flamme mit dem turbulenten Strömungsfeld eine entscheidende Rolle für Stabilität, Sicherheit und Effizienz der Energiewandlung. Turbulente Verbrennung ist ein dreidimensionales Multiskalenphänomen. Im Betrieb technischer Brenner können zusätzlich transiente Verbrennungszustände wie Funken- und Selbstzündung, Flammenverlöschen und Flammenrückschlag auftreten. Zum Untersuchen dieser Phänomene werden in dieser Arbeit bildgebende laseroptische Messmethoden entwickelt und simultan auf die Vermessung transienter Flammen in turbulenter Umgebung angewendet.
Die Arbeit beinhaltet grundlegende Weiterentwicklungen bildgebender Hochgeschwindigkeitsmesstechnik im Bezug auf quantitatives Imaging von Skalarfeldern sowie die Quasi-4D-Aufnahme der Bewegung von Flammenflächen. Dabei wird zu Beginn methodisch der Bogen von simplen Visualisierungen der instationären Flammenbewegung über das Verfolgen von Formmerkmalen (Feature Tracking) bis hin zum voll quantifizierten Imaging skalarer Größen, wie beispielsweise Mischungs- und Temperaturfelder, gespannt. Aufgrund kleiner Pulsenergie der verwendeten Festkörperlasersysteme ist eine fortgeschrittene Unterdrückung des Detektorrauschens für eine gute Datenqualität von Skalarfeldern unumgänglich. Dies leistet der entwickelte WAT2d-Algorithmus mit herausragender Performance, speziell für den komplexen Fall der verwendeten räumlich inhomogenen CMOS-Bildsensoren.
Neben der Entwicklung der Diagnostik ist insbesondere die simultane Anwendung in drei Laserlichtschnitten zum Quasi-4D-Imaging eine Innovation dieser Arbeit. Hiermit konnte in der Applikation auf einen turbulenten Feuerball erstmals die Eigengeschwindigkeit von Vormischflammen zeitaufgelöst vermessen werden. Die erzeugten Datensätze dienen neben ihren Beiträgen zur Grundlagenforschung in der Verbrennungstechnologie auch als Validierungsdaten für Grobstruktursimulationen.
Aktualisiert: 2023-03-27
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Gegenstand der Arbeit ist die detaillierte statistische Analyse von stratifizierten und gescherten Flammen. Hierzu wird ein generischer vorgemischter, pilotierter Brenner verwendet, der durch zwei voneinander unabhängige Ringspalte eine Stratifizierung und Scherung der austretenden Brennstoff-Oxidator-Mischungen ermöglicht. Damit die auftretenden Prozesse unbeeinflusst bleiben, werden laserbasierte Methoden zur Untersuchung dieser eingesetzt. Die detaillierte Charakterisierung des Brenners wird zum einen mittels Thermographischer Phosphore durchgeführt, um die Wandtemperaturen zu eruieren. Zur simultanen Bestimmung von Konzentrationen und Temperatur wird die kombinierte Raman-/Rayleigh-Spektroskopie verwendet. Neben der Bestimmung von Mittelwert und Standardabweichung wird mithilfe des crossed planar Rayleigh imagings die Flammenausbreitungsrichtung gemessen. Dies ermöglicht eine Korrektur der errechneten Temperatur und Konzentration entlang der Ausbreitungsrichtung der Flamme. Die Aufnahme besonders hoher Statistiken gibt so einen Einblick in den Effekt der Stratifizierung und Scherung auf das Verhalten der Flammen. Die Ergebnisse der gezeigten Untersuchungen werden als Datenbasis für die Validierung numerischer Simulationen verwendet.
Aktualisiert: 2023-03-27
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