Dr.-Ing. Olaf Schäfer
Expermimentelle und numerische Analyse der Flammenrückschlags bei der mageren Vormischverbrennung

Die Steigerung des Wirkungsgrads, d.h. Reduktion des Treibhausgases CO2, und die nachhaltige Reduktion der Stickoxid-Emissionen werden in Flugtriebwerken zukünftig nur durch die magere Vormischverbrennung erreichbar sein. Durch dieses Konzept können die Stickoxidemissionen, ohne Einbußen im Wirkungsgrad oder eine Erhöhung anderer Schadstoffemissionen, um 80 Prozent reduziert werden. Die technische Realisierung des schadstoffarmen Verbrennungskonzepts der mageren Vormischverbrennung ist unter anderem bisher nicht erfolgt, weil für das Problem des Flammenrückschlags keine systematische, grundlagenorientierte Untersuchung unter technisch relevanten Bedingungen existiert. Die vorliegende Arbeit liefert im Rahmen eines umfangreichen und syste­matisch angelegten Programms den Grundstein zu einem vollständigen Verständnis des Flammenrückschlags bei der mageren Vormisch­ver­brennung flüssiger Brennstoffe. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine einzigartige, atmosphärische Versuchs­einrichtung entwickelt. Es können homogen vorgemischte laminare und turbulente Flammen erzeugt werden, sowohl verdrallt als auch unverdrallt. Als Brennstoffe eignen sich Reinstoffe, z.B. langkettige Alkane, in gleicher Weise wie kommerzielle Flüssigbrennstoffe. Diese beispiellosen Möglichkeiten bilden die Grundlage zur Bestimmung der Flammengeschwindigkeit und zur Analyse der Mechanismen beim Flammenrückschlag. Die in der Arbeit vorgestellte, systematische Vorgehensweise erfordert die Messung der Flammen­geschwindigkeit der verwendeten flüssigen Brennstoffe, da für diese keine Angaben zur Flammen­geschwindigkeit bei hohen Temperaturen existieren. Zu diesem Zweck wird eine neuartiges Verfahren zur Ermittlung der Flammengeschwindigkeit entwickelt und eingesetzt, mit dem eine Erweiterung der Datenbasis auf sehr hohe, technisch relevante Gemischtemperaturen möglich wird. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die laminare Flammenausbreitung parallel zur Wand in Rohren mit technisch relevantem Durchmesser berechnet. Eine Schlüsselposition in der vorliegenden Arbeit nimmt die Analyse des lokalen, normierten Wärmestroms ein. In dieser Weise wurde des Flammenrückschlag bisher noch nicht analysiert. Diese Analyse führt auf eine beschreibende Größe für magere Gemische langkettiger Kohlenwasserstoffe. Im Gegensatz zur allgemein verwendeten Beschreibung ist diese Größe unabhängig vom Brennstoff-Luft-Verhältnis und den laminaren Strömungsverhältnissen. Mit dieser Modellvorstellung ist die Angabe einer neuen Kennzahl möglich, unterhalb derer kein Flammenrückschlag möglich ist. In Analogie zum laminaren Flammenrückschlag kann auf Basis dieser Modellvorstellung auch zum ersten Mal eine untere Grenze angegeben werden, unterhalb der eine turbulente Flammenausbreitung parallel zur Wand nicht möglich ist. Da eine Simulation des turbulenten Flammenrückschlags derzeit noch nicht möglich ist, wurden für diesen Fall erstmals quantitative Untersuchungen zur Flammenausbreitung in turbulenter Strömung durchgeführt. Unterschiedlich turbulente Strömung mit hohen Turbulenzgraden wurden experimentell realisiert. In diesem Versuchs­aufbau wurde die untere Grenze erstmals quantitativ für den Fall einer ungestörten turbulente Rohrströmung nachgewiesen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Darstellung zur Beschreibung des Flammenrückschlags, die experimentell ermittelten Grenzen dieses Phänomens und die theoretischen Überlegungen zur Flammenausbreitung in der Nähe von Wänden ermöglichen zukünftig eine sichere Auslegung schadstoffarmer Verbrennungssysteme, die mit dem Prinzip der mageren Vormischverbrennung einen großen, umweltrelevanten Beitrag zur Reduktion der Stickoxidemissionen liefern können.

Preisgeld: 2.000 € für Dr.-Ing. Olaf Schäfer