Experimentelle Untersuchung magerer laminarer Niederdruckflammen mit periodisch variierender Gemischzusammensetzung

Abstract

In technischen Anwendungen findet die Verbrennung oft mit inhomogenen Brennstoff/Luft-Gemischen statt. Insbesondere sind thermo-akustische Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern mit periodischen Änderungen der Gemischzusammensetzung gekoppelt. Das Verständnis des Einflusses dieser Änderungen auf die Verbrennung ist von großem wirtschaftlichem Interesse, um Verbrennungsinstabilitäten vermeiden und so die Effizienz von Verbrennungssystemen steigern zu können. Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Untersuchung des Flammenverhaltens laminarer vorgemischter Methan/Luft-Flammen unter dem Einfluss eines periodisch variierenden Brennstoffanteils. Die periodische Variation des Äquivalenzverhältnisses wurde durch die Zufuhr von zusätzlichem Methan in das Frischgasgemisch einer vorgemischten Bunsenflamme realisiert. Um die Struktur der Flammenfront und ihre Reaktion auf die Änderung des Brennstoffanteils experimentell untersuchen zu können, wurden die Flammen mit einer speziellen Brennerkonfiguration bei reduziertem Druck betrieben. Dadurch verbreitert sich die Flammenfront und kann messtechnisch räumlich aufgelöst werden. Ein weiterer Effekt des reduzierten Drucks ist die Möglichkeit, die Zeit- und Längenskalen der Flamme und der Modulation anzunähern und somit die Abhängigkeit der Flammenreaktion von der Frequenz untersuchen zu können. Die eingesetzten Messmethoden waren die phasenaufgelöste Detektion der Chemilumineszenz des OH*-Radikals und der eindimensionalen Laser-Raman-Streuung. Das Signal der OH*-Chemilumineszenz gab Aufschluss über die Form der gesamten Flamme sowie die Position der Reaktionszone. Mit der Laser-Raman-Streuung wurden die Konzentrationen der Hauptspezies und die Temperatur simultan gemessen und quantitativ bestimmt. Durch Abbildung einer Strecke von 7 mm entlang des Laserstrahls sowie durch Höhenverschiebung des Brenners wurden die Profile der Spezieskonzentrationen und der Temperatur entlang der Mittelachse vom Brenneraustritt bis über die Flammenfront hinweg gemessen. Als Referenz wurde zunächst eine stationäre Flamme mit einem Äquivalenzverhältnis von Phi=0,66 bei einem Druck von 70 mbar detailliert untersucht. In einer parametrischen Studie wurde dann das Äquivalenzverhältnis dieser Flamme durch Methanpulse in unterschiedlichen Frequenzen und Mengen periodisch variiert. Mit dem Äquivalenzverhältnis ändern sich zum einen die Wärmefreisetzung und damit die laminare Flammengeschwindigkeit. Zum anderen ändern sich auch der thermo-chemische Zustand und damit die Struktur der Flammenfront. Für ein besseres Verständnis des Reaktionsverhaltens wurden die Zeitskalen der Flammengeschwindigkeit sowie der konvektiven und diffusiven Transportprozesse einzeln untersucht und in Bezug zueinander gesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei niedrigen Frequenzen der Brennstoffanteil im Verlauf einer Periode jeweils für eine gewisse Dauer einen Minimal- und einen Maximalwert annimmt. Der Minimalwert entspricht dabei dem Äquivalenzverhältnis der stationären Flamme. Die Flamme kann der Variation des Brennstoffanteils im Verlauf einer Periode folgen und erreicht jeweils beim Minimum und Maximum der Methankonzentration einen quasistationären Zustand. Mit steigender Frequenz nimmt der Einfluss der Massendiffusion auf die Form der Methanpulse zu. Zum einen nähert sich dadurch die Pulsform einer Sinuskurve an und zum anderen nimmt die effektive Pulsstärke ab, die die Flamme erreicht. Mit zunehmender Frequenz nähert sich auch die Wellenlänge der Anregung der Flammenfrontdicke an. Daraus resultieren Gradienten des Mischungsbruchs innerhalb der Flammenfront während der gesamten Periodendauer. Die innere Struktur der Flammenfront zeigt dabei ein phasenabhängiges Reaktionsverhalten, das zu keinem Zeitpunkt einer Periode durch einen stationären Zustand beschrieben werden kann. Dies wird am Beispiel einer Flamme bei einer Anregungsfrequenz von 40 Hz verdeutlicht. Durch das komplexe Zusammenwirken der verschiedenen Effekte von Strömungsgeschwindigkeit und Flammengeschwindigkeit variiert die Höhe der Kegelflamme unabhängig von der Pulsstärke ab einer Frequenz von 40 Hz nicht mehr. Abschließend wurde eine Flamme mit besonders starker Modulation des Äquivalenzverhältnisses untersucht. Durch kurzzeitiges Ausschalten des Methanmassenstroms sank der Brennstoffanteil in der Flamme unter die magere Zündgrenze, sodass die Flamme verlosch. Durch den kontinuierlichen Wärmeeintrag aus einer ringförmigen Halteflamme zündete die Flamme wieder, sobald das Äquivalenzverhältnis wieder über die Zündgrenze gestiegen war. Die beiden Phänomene des Verlöschens und Zündens ließen sich so fortlaufend phasenaufgelöst untersuchen. Mit den gewonnenen Ergebnissen liegt ein einzigartiger experimenteller Datensatz vor, der zum einen detaillierte Einsicht in das Flammenverhalten bei Änderung des Äquivalenzverhältnisses gewährt, und zum anderen die Validierung numerischer Modelle zur Beschreibung von Verbrennungsprozessen ermöglicht.

The mixture of fuel and oxidizer in technical combustion applications is often inhomogeneous or varies due to combustion instabilities like thermo-acoustic oscillations in gas turbines. In order to increase the efficiency and reliability of the combustion, a deeper understanding of the flame response to equivalence ratio oscillations is needed. This work deals with the experimental investigation of the response of laminar lean premixed methane/air-flames to periodic mixture fraction modulations. The modulations were induced by the addition of pulsed methane into the fresh gas of a premixed flame. The bunsen-type flames were operated at reduced pressure, enabling experimental accessibility of the flame front structure by laser spectroscopic measurement techniques. Another effect of reduced pressure is the possibility to approximate the wavelength of the modulation to the length scales of the flame. The flame shape and the position of the reaction zone were revealed by the detection of OH*-chemiluminescence. The major species concentrations and the temperature were simultaneously measured by one dimensional laser Raman scattering along the center axis of the burner and flame. Thus, the concentration and temperature profiles were gained from the burner exit to the burned gas across the flame front. The flame response to equivalence ratio oscillations was investigated in a parametric study by variation of frequency and strength of the methane pulses at 70 mbar. The complex processes of convective and diffusive transport and their interaction within the flame front were investigated in detail and related to each other in terms of their length and time scales. The results show, that at low frequencies (up to 10 Hz) the flame can follow the modulation and reaches quasi-steady states at the minimum and maximum fuel concentration. With increasing frequency, the influence of mass diffusion increases, leading to a reduction of the effective pulse strength and a sine wavelike variation of the mixture fraction. At 40 Hz, the wavelength of the modulation leads to continuous mixture fraction gradients across the flame front. The thermo-chemical state of the flame shows a strong phase dependency and the inner structure of the flame front can not be described by quasi-steady states. The flame height remains unchanged over one period at frequencies higher then 40 Hz. Additionally to the parametric study, a flame was investigated under the influence of strong equivalence ratio oscillations that lead to periodical extinction and re-ignition. The results represent a unique data base that is suitable for the detailed description of the flame response and the validation of numerical models for combustion processes.