Lasermesstechnik in turbulenten Flammen

Flammen sind besonders empfindlich gegen Störungen durch Mess-Sonden, die beispielsweise die lokale Temperatur absenken und die Verbrennung damit verändern. Optische Messmethoden dagegen sind berührungslos und haben keinen Störeinfluss. Ein weiterer Vorteil des „Messens mit Licht“ ist die hohe erreichbare räumliche und zeitliche Auflösung, so dass schnelle und kleinskalige Phänomene beobachtet werden können, wie sie beispielsweise in der turbulenten Verbrennung auftreten. Mit laserspektroskopischen Messverfahren ist beispielsweise eine Kurzzeitbelichtung von etwa 10 ns in einer planaren Ebene durch eine turbulente Flamme möglich. Abb. 1 zeigt rechts das instantane Temperaturfeld in einer Schnittebene durch eine turbulente Flamme. Im Gegensatz zur fotografischen Aufnahme ist hier die starke Verwirbelung der Flamme deutlich sichtbar.

Inzwischen können wir zusätzlich auch das Strömungsfeld in der Messebene aufnehmen, so dass die Interaktion zwischen Reaktion und Turbulenz erforscht werden kann. Hierzu wird die konditionierte Particle Image Velocimetry (CPIV) angewandt, die sowohl im unverbrannten als auch im verbrannten Teil der Flamme auswertbar ist. Im Versuchsstand für Laborbrenner wird mit spektroskopischen Messtechniken Grundlagenforschung auf dem Gebiet der turbulenten Verbrennung durchgeführt. Ziel ist es dabei, an einfachen Flammengeometrien Referenz-daten für die Modellierung und die numerische Berechnung von Verbrennungsprozessen zu sammeln. Von besonderer Wichtigkeit ist hierbei, die Versuchsparameter über einen weiten Bereich reproduzierbar einstellen zu können.

Der Schwerpunkt liegt auf turbulenten, vorgemischten Flammen im Leistungsbereich zwischen 20 und 200 kW thermischer Leistung. Als Brennstoffe stehen Methan und Wasserstoff zur Verfügung, die auch in Gemischen verwendet werden können. Des Weiteren kann Sauerstoff oder Stickstoff der Brennluft zugemischt werden, um etwa Oxyfuel-Combustion, Einflüsse der Abgasrückführung und die Biogasverbrennung untersuchen zu können.

Bild: Flammenstruktur in einer staukörperstabilisierten turbulenten Vormischflamme
(Planare Laser-Rayleigh-Thermometrie, Falschfarbendarstellung: blau = kalt, orange = heiß) Dinkelacker, Soika, Most, Höller, Leipertz Proc., 11th Int. Heat Transfer Conf., Korea, Vol. 7, pp. 373-378 (1998)