Experimentelle Untersuchungen von Selbstzündungsprozessen mittels laseroptischen Methoden bei kHz-Wiederholraten

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Selbstzündungsprozesse spielen in einer Vielzahl technischer Verbrennungsprozesse eine wesentliche Rolle. Hierzu zählen z.B. der direkteinspritzende Dieselmotor, das neue motorische Brennverfahren Compression Auto Ignition (CAI) oder mager vorgemischte Brennverfahren in Gasturbinen, wie z.B. das Konzept Lean Premixed Prevaporized (LPP). Diese Prozesse hängen neben den chemischen Zeitskalen wie der Induktionszeit in turbulenter Strömungsumgebung auch von Mischungsprozessen zwischen zündfähigen Gasvolumina und umgebender heißer Gasphase (Luft, Restgase) sowie lokalen Turbulenzstrukturen ab. Diese Prozesse können als Wechselwirkung zwischen Niedertemperaturchemie und Turbulenz zusammengefasst werden. Unter dem Begriff Niedertemperatur Chemie sind hierbei die chemischen Prozesse während der Induktionszeit zu verstehen, bei der vor allem partielle Oxidationsreaktionen zu einem Pool von reaktiven Zwischenprodukten bei nur geringer Temperaturänderung führen. Basierend auf Erkenntnissen aus direkten numerischen Simulationen (DNS) und einigen wenigen ersten Experimenten sollen in diesem Projekt Selbstzündungsprozesse in einer generischen Konfiguration untersucht werden. Dabei handelt es sich um einen turbulenten Jet, der in eine heiße turbulente Luftumgebung propagiert. Während der Fokus bisheriger experimenteller Untersuchungen ausschließlich auf der Gewinnung statistisch unabhängiger Informationen lag, soll hier explizit die raum-zeitliche Dynamik von Selbstzündungsprozessen untersucht werden. Hierfür werden unter Nutzung neuester Entwicklungen auf dem Gebiet der laseroptischen Hochgeschwindigkeitsdiagnostik simultan Skalar- und Geschwindigkeitsfeld verfolgt, so dass eine Abfolge statistisch abhängiger Momentaufnahmen es ermöglicht, individuelle Selbstzündungszentren in ihrem zeitlichen Verlauf zu verfolgen. Das Strömungsfeld wird über die particle image velocimetry (PIV) und als Schlüsselkomponenten des Skalarfeldes wird die Formaldehyd- und Hydroxyl-Konzentration über die planare laserinduzierte Fluoreszenz (PLIF) gemessen. Das besondere Merkmal dieser Messungen ist, dass die genannten zweidimensionalen Felder simultan bei bis zu 10 kHz Wiederholrate so durchgeführt werden, dass die zeitliche Entwicklung von der Bildung von Zündkernen, ihrer Interaktion mit dem lokalen Turbulenzfeld bis hin zur Bildung einer turbulenten Flamme verfolgt werden. Eine parametrische Variation der Induktionszeit ((ign) relativ zum turbulenten Zeitmaß ((turb) über Variation der Brennstoffzusammensetzung, der umgebenden Lufttemperatur und der Turbulenzstrukturen soll es ermöglichen, die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Niedertemperaturchemie in einem weiten Bereich zu charakterisieren und zu analysieren. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen auch zukünftigen Modellentwicklungen dienen, die für die numerische Simulation der eingangs genannten Verbrennungsprozesse unerlässlich sind.