Verbrennungsdiagnostik



Leitung: Dr. rer. nat. W. Meier

 Temperaturmessung mit CARS in einer Sprayflamme
zum Bild Temperaturmessung mit CARS in einer Sprayflamme

Moderne Lasermessverfahren ermöglichen eine neue Sicht in die physikalisch-chemischen Vorgänge von Verbrennungsprozessen. Mit ihnen werden Flammenstrukturen visualisiert, die Strömungsverhältnisse im Brennraum erfasst, Konzentrationsverteilungen verbrennungsrelevanter Spezies und die vorliegenden Temperaturen gemessen. Dazu sind verschiedene, sich ergänzende, auf unterschiedlichen physikalischen Prozessen basierende Diagnostikverfahren erforderlich. Im Gegensatz zu materiellen Messsonden erlauben sie als optische Verfahren die Untersuchung von Flammen, ohne dabei das Strömungsfeld im Brennraum und die komplexen chemischen Reaktionen zu beeinflussen. Lasermessverfahren arbeiten störungsfrei, mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung und können als Lichtschnittverfahren auch zweidimensionale Verteilungen messen. Die Verfahren werden vorwiegend in Einzelpulstechnik angewandt, d.h. mit jedem einzelnen, extrem kurzen Laserpuls wird eine vollständige Messung durchgeführt. Dies sind wichtige Voraussetzungen dafür, um die turbulenten Strukturen in den Verbrennungszonen aufzulösen und genaue Informationen über den Ablauf der Verbrennung zu erhalten. Denn quantitative Messdaten stellen die experimentelle Grundlage für die Überprüfung und Weiterentwicklung numerischer Simulationsmodelle dar, die für die verbesserte Bewertung neu konzipierter Verbrennungsverfahren hinsichtlich Schadstoffemissionen und Stabilität des Verbrennungsprozesses heute unverzichtbar sind.

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich vorrangig mit der Entwicklung von Lasermessverfahren, um sie für vielfältige Fragestellungen der Verbrennungsforschung einzusetzen.

Methodenentwicklung

Die im Folgenden aufgeführten Lasermessmethoden werden ständig weiterentwickelt, um sie den Messanforderungen unter besonderen, auch technischen Randbedingungen wie hoher Druck und reale Brennstoffe anzupassen.

  • Rayleigh-Streuung (Dichte- und Temperaturfelder)
  • Raman-Streuung (Temperaturen, Konzentrationen, Mischungen)
  • Kohärente anti-Stokes Raman-Streuung (CARS) (Temperaturmessung in technischen Verbrennungssystemen, Mittelwerte und Fluktuationen in Einzelpulstechnik)
  • Absorptionsspektroskopie (Messung von Spezieskonzentrationen und Temperaturen)
  • Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) (Visualisierung von Flammenstrukturen, Lage der Flammenfront, 2D-Temperaturfelder)
  • Laserinduzierte Inkandeszenz (LII) (2D-Rußverteilungen)
  • Particle Image Velocimetry (PIV) (2D-Geschwindigkeitsverteilungen)
  • Simultaner Einsatz verschiedener Messtechniken
  • Highspeed Imaging (LIF und PIV)
  • Laserinduzierte Plasma-Spektroskopie (LIPS) (Messung der Elementzusammensetzung oder von Minoritätenspezies)
  • Phosphorthermometrie (Bestimmung von Oberflächentemperaturen)
  • Mobile Lasermessanlagen (Raman, CARS, LIF, LII)

Anwendungen in technischen Messobjekten

Die Messverfahren finden ihre Applikation über den Labormaßstab hinaus an anwendungsorientierten, technischen Messobjekten, insbesondere Gasturbinen-Brennkammern. Untersuchungen an solchen Messobjekten finden an den Hochdruckprüfständen des Instituts oder vor Ort im Kundenauftrag statt. Dafür stehen die oben genannten mobilen Messanlagen zur Verfügung. Erfolgreiche Messungen wurden durchgeführt an

  • Segmenten von Gasturbinenbrennkammern
  • Industriellen Gasturbinenbrennern
  • Modellbrennkammern für Raketenantriebe
  • Industriellen Feuerungsanlagen
  • Seriennahen Motoren
  • Vergasungsreaktoren

Thematische Forschungsschwerpunkte

Neben der Entwicklung der Methoden und ihrer Anwendung in technischen Objekten beschäftigt sich die Arbeitsgruppe auch mit grundlagenorientierten Themen. Im Mittelpunkt dieser Arbeiten steht die Verbesserung des Grundverständnisses der untersuchten Verbrennungsprozesse wie z.B. die Rußbildung in Hochdruckbrennkammern, das Verbrennungsverhalten alternativer Brennstoffe, Zündvorgänge oder Verbrennungsinstabilitäten bei speziellen Betriebsbedingungen wie z.B. der mageren Vormischverbrennung. Außerdem wird an der Bereitstellung einer umfangreichen Datenbasis zur Validierung und Weiterentwicklung numerischer Simulationsmodelle gearbeitet. Zu diesem Zweck wurden Standardflammen definiert, die unter Einsatz sich ergänzender laserdiagnostischer Untersuchungsmethoden vermessen werden.

Weitere Informationen zu diesen Standardflammen sind im Datenarchiv des Instituts für Verbrennungstechnik zu finden.

 

 

 


Kontakt
Dr. rer. nat. Wolfgang Meier
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Verbrennungstechnik

Tel: +49 711 6862-397

Fax: +49 711 6862-578

E-Mail: Wolfgang.Meier@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/vt/desktopdefault.aspx/tabid-3078/4656_read-6751/