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PIV in Flammen



Atmosphärische Brennkammer mit Quarzglas- Fenster für Strömungsvisualisierung (ALSTOM)

Die experimentelle, phänomenologische Untersuchung der Strömungsverhältnisse stellt auch im Zeitalter von CFD noch ein unverzichtbares Instrument für die Entwicklung von Brennkammern dar. In Forschungsaufträgen oder im Rahmen industrieller Kooperationen wird PIV hier eingesetzt, um das Verständnis von isothermen sowie reagierenden Brennkammerströmungen zu verbessern. Für die Untersuchung der reagierenden Brennkammerströmung hat sich die Kombination von PIV mit weiteren laser-optischen Messtechniken bewährt, hier kommen meist LIF und OH zum Einsatz.

Die besondere Schwierigkeit bei PIV Messungen in reaktiven Strömungen besteht in der Bereitstellung von geeigneten Tracer- Partikeln in der zu untersuchenden Strömung. Durch die hohen Temperaturen in der Flamme müssen die Partikel einen sehr hohen Schmelzpunkt sowie ein neutrales Verhalten in der Verbrennungsreaktion haben. Dies wird bisher nur durch Partikel auf Feststoffbasis gewährleistet. In jüngsten Untersuchungen haben sich poröse Siliziumdioxid- Partikel als gut geeignet herausgestellt, da sie sphärisch sind und somit zusätzlich über gutes Streulichtverhalten verfügen (Literaturliste)

Im Rahmen des drittmittelfinanzierten Projekts FUEL CHIEF sind PIV Mesungen an einem full-scale Gasbrenner (oberes Bild) am Brennkammerprüfstand der ALSTOM Ltd. in Baden- Dättwil (CH) durchgeführt worden. Die vom DLR bereitgestellten PIV Messdaten lieferten einen umfangreichen Beitrag zur Analyse des Strömungsfeldes. In diesem Projekt wurde erstmals über die aufgezeichneten Triggersignale des PIV Systems eine nachträgliche Phasenzuordnung zum Signal der Brennkammerschwingung möglich. Aus den so generierten zusätzlichen Daten konnte ALSTOM weitere wertvolle Erkenntnisse über die Strömung in der reaktiven Zone gewinnen. Im Projekt FUEL CHIEF sind darüber hinaus DGV und LIF/ OH Messungen am Verbrennungsprüfstand ASC des Instituts für Antriebstechnik in Köln durchgeführt worden.

 zeitlich gemitteltes 2C- Geschwindigkeitsfeld
zum Bild zeitlich gemitteltes 2C- Geschwindigkeitsfeld
 Instationäres 2C- Geschwindigkeitsfeld
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Eine weitere Anwendung von PIV ergab sich im Projekt PRECCINSTA an einem generischen Gasbrenner. Da die vorbereitete Brennkammer von drei Seiten großflächigen optischen Zugang bietet, konnte die Brennkammerströmung mit Stereo-PIV untersucht werden. Im Zentrum des Projekts stand die Untersuchung von thermo-akustischen Instabilitäten, die zu Flamm- Oszillation führen können. Solche Betriebspunkte der Brennkammer wurden für die SPIV Messungen bewusst herbeigeführt, um zur Brennkammerschwingung phasenaufgelöste Messungen durchzuführen.

 Flammbild des generischen Gasbrenners
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 Stereo-PIV Kamera-Schema
zum Bild Stereo-PIV Kamera-Schema
 2C- Velocity field, phase angle 90°
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 2C- Velocity field, phase angle 270°
zum Bild 2C- Velocity field, phase angle 270°
 3C- Velocity field (SPIV), phase angle 90°
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 3C- Velocity field (SPIV), phase angle 270°
zum Bild 3C- Velocity field (SPIV), phase angle 270°

Besonders vielseitig ist der Einsatz von optischer Messtechnik am Ein-Düsen-Sektor (EDS) des Instituts, der sowohl atmosphärisch als auch Druck- beaufschlagt betrieben werden kann. Am häufigsten ist hier neben PIV die Anwendung von LIF und anderen spektroskopischen Verfahren zu finden. Darüber hinaus kommen auch DGV und CARS zum Einsatz.

In dem Projekt LUFO III stand die Erforschung der Brennkammerströmung für einen neu entwickelten Kerosin-betriebenen Brenner für Flugantriebe im Zentrum der Untersuchung. Auf der Grundlage der PIV Messdaten wurde bei dem industriellen Projektpartner eine technische Überarbeitung des neuen Brenners initiiert.

Am EDS konnte darüber hinaus die erfolgreiche Anwendung der kombinativen Messtechnik DGV-PIV im Rahmen des EU-Projekts MOLECULES demonstriert werden. Hier wurde in der Sekundärzone des Brenners ein umfangreicher Volumendatensatz erstellt, der eine wertvolle Datenbank für Vergleiche mit numerischen Strömungsberechnungen sowie für die Validierung von verwendeten CFD Algorithmen darstellt.

 Der Ein-Düsen-Sektor (EDS) Prüfstand
zum Bild Der Ein-Düsen-Sektor (EDS) Prüfstand
 Schematischer Aufbau des EDS mit PIV Beobachtungsbereich
zum Bild Schematischer Aufbau des EDS mit PIV Beobachtungsbereich
 2C- Geschwindigkeitsfeld in der Reaktionszone
zum Bild 2C- Geschwindigkeitsfeld in der Reaktionszone
 Schematischer Aufbau am EDS für den Einsatz von DGV-PIV
zum Bild Schematischer Aufbau am EDS für den Einsatz von DGV-PIV
 Volumendatensatz DGV-PIV in der Sekundärzone des EDS
zum Bild Volumendatensatz DGV-PIV in der Sekundärzone des EDS
 EDS: flow field of the primary zone
zum Bild EDS: flow field of the primary zone


Contact
Dr.-Ing. Melanie Voges
German Aerospace Center

Institute of Propulsion Technology
, Triebwerksmesstechnik
Köln

Tel.: +49 2203 601-3784

Dr.phil. Christian Willert
German Aerospace Center

Institute of Propulsion Technology
, Triebwerksmesstechnik
Köln

Tel.: +49 2203 601-2308

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PIV: Das Messprinzip im Detail
Piv in Flammen
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