Untersuchung des Flammenfrontstreckungseffektes auf die laminare und turbulente Verbrennung unter variierten Druck- und Temperaturbedingungen

In der Mehrzahl der Verbrennungsanwendungen in der Praxis werden turbulente Flammen verwendet. Ein besseres Verständnis der Vorgänge, die in der turbulenten Verbrennung stattfinden, ist unabdingbare Voraussetzung für die Erhöhung des Wirkungsgrades von Brennern sowie für eine Reduzierung von Schadstoffen. Da die turbulente Brenngeschwindigkeit von der laminaren Brenngeschwindigkeit und der Intensität der Turbulenz abhängt, ist die laminare Brenngeschwindigkeit ein entscheidender Parameter für die Charakterisierung eines Kraftstoffes. Die turbulente Flamme kann unter bestimmten Bedingungen als Ensemble laminarer Flammen betrachtet werden (Flamelets-Ansatz).
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Demnach muss auch der Einfluss der Streckung, verursacht durch turbulenzen, auf die Flammenausbreitung berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck kann die Markstein-Zahl verwendet werden, die die Reaktion einer laminaren Flamme auf die Flammenstreckung quantitativ bestimmt.
Die experimentellen Daten der verbrennungstechnischen Parameter - laminare
Brenngeschwindigkeit und Markstein-Zahl des konventionellen Brennstoffs (Kerosin Jet A-1) - sind insbesondere bei überatmosphärischen Drücken kaum vorhanden. Die Bestimmung der Parameter für überatmosphärische Bedingungen ist sehr wichtig, da sie nahe an den tatsächlichen Betriebsbedingungen liegen. Die Entwicklung neuer alternativer Brennstoffherstellungsverfahren ist für die Nachhaltigkeit der Energieversorgung von besonderer Bedeutung. Um konventionelle Kraftstoffe wie Kerosin durch so gewonnene alternative Kraftstoffe zu ersetzen, muss man deren Eigenschaften vergleichen, damit man den am besten geeigneten Ersatz ermittelt. Darüber hinaus können erhebliche Unterschiede im Flammenverhalten, die durch unterschiedliche Verbrennungseigenschaften erkannt werden können, zu einer Modifikation der derzeit verwendeten Brennkammer führen. Die Verbrennungseigenschaften (laminare Brenngeschwindigkeit und Markstein-Zahl) von Kerosin Jet A-1 und alternativen Kraftstoffen (GTL- und GTL-Mischungen) werden experimentell untersucht. In Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von drei entscheidenden Parametern auf die Verbrennungseigenschaften bestimmt: Anfangstemperatur, Anfangsdruck und Gemischzusammensetzung.
Die mit der laminaren Flamme ermittelte Markstein-Zahl wird für stationäre Strömungsbedingungen definiert. Es ist jedoch von Interesse zu verstehen, in wie fern eine so definierte Markstein-Zahl zur Erklärung der turbulenten Flammenfrontausbreitung verwendet werden kann. Desweiteren zeigt die Markstein-Zahl eine Abhängigkeit vom Druck.
In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von Druck und turbulenter Intensität auf den Markstein-Zahl-Effekt bei turbulenter Flammenausbreitung experimentell untersucht. Die Abhängigkeit der Effizienzparameter der Markstein-Zahl von den untersuchten Einflussfaktoren wird definiert.

Turbulent flames are utilised in almost all applications employing combustion. Thus, better understanding of the combustion process is the key for increasing the efficiency of fuel consumption and reducing the environmental footprint of future combustors. As the turbulent flame velocity depends on the laminar burning velocity and intensity of the turbulence, the
laminar burning velocity can be considered as a crucial parameter for fuel characterisation. Since turbulent flame can be considered basically as wrinkled laminar flame (flamelet approach), the effect of stretch (caused by turbulence) on the flame propagation must also be considered. ... mehrThe Markstein number, which quantifies the response of a laminar flame to
the stretch, can be employed for this purpose.
The experimental data of combustion characteristics, laminar burning velocity and Ma number, of the conventional liquid fuel – kerosene Jet A-1 – are scarce, especially at elevated pressure conditions. Identification of the parameters for elevated pressures is very important as such conditions are closer to real operational ones. The current attempts to replace conventional fuels, such as Kerosene, with alternative ones, obtrude their
comparison in order to find the most appropriate substitute. Additionally, significant differences in the flame behaviour, which could be recognised through different combustion characteristics, can lead to modification of currently used design of combustors. The combustion characteristics (laminar burning velocity and Markstein number) of Kerosene Jet
A-1 and alternative fuels (GTL and GTL blends) are experimentally investigated. Within this study the influence of three crucial parameters: initial temperature, initial pressure and mixture composition on the combustion characteristics is determined.
The Markstein number determined with laminar flame is defined for stationary flow conditions. However, it is interesting to understand in which extend so defined Markstein number can be used for the explanation of the turbulent flame front propagation. As abovementioned the real operating conditions are at elevated pressures with a trend of even further increase. In present study the influence of the pressure and turbulent intensity on the
effect of the Markstein number in the turbulent flame propagation is experimentally investigated. The dependency of the efficiency of Markstein number from turbulent intensity and pressure is defined.