Numerische und experimentelle Untersuchung zweier Fett-Mager Brennkammern

Abstract

Ziel dieser Untersuchung ist die Auslotung des NOx Reduktionspotentials einer fett-mager gestuften Brennkammer und die detaillierte Analyse der Mischung und der Schadstoffbildung. Diese experimentellen und numerischen Untersuchungen erfolgten im Rahmen des DLR- Teilprogramms "Schadstoffarme Brennkammer". In einem rechteckigen Brennkammersektor mit optischem Zugang, der ein Ausschnitt einer Ringbrennkammer darstellte, wurden die Temperatur-, Geschwindigkeits- und Konzentrationsfelder an verschiedenen Positionen in der Brennkammer ermittelt.Die schnelle und vollständige Einmischung der Sekundärluft im stöchiometrischen Übergang zwischen fetter und magerer Zone ist ein Schlüsselproblem des Fett-Mager Konzeptes, daher konzentriert sich diese Untersuchung hauptsächlich auf die schnelle und vollständige Einmischung. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Ergebnisse in der Misch- und Sekundärzone der Brennkammer gezeigt. Die in der DLR konzipierte Brennkammer bestand aus 12 Luftstrom-Zerstäuberdüsen, die in einer Doppelreihe angeordnet waren. Die kleinen Düsen führten zu kleinen drallinduzierten Rezirkulationsgebieten, so daß am Ende der Primärzone homogene Profile der Geschwindigkeit, Temperatur und Konzentration vorlagen. Um eine gute Eindringung der Sekundärluft zu erzeugen, wurde das Mischmodul mit relativ großen Löchern ausgestattet, die zu einer großskaligen Turbulenz, und damit zu einer schnellen Vermischung führte. Die numerische Rechnungen auf einem unstrukturierten Netz von 35000 Knotenpunkten berücksichtigten den Einfluß der Strömung im Sekundärkanal auf die Strahleindringung. Es wurde eine modifizierte Version des KIVA-II Codes verwendet. Die turbulente Mischung wird hierin durch ein f-g Modell wiedergegeben, das eine Gauß'sche Verteilung zur Berücksichtigung der Mischungsfluktuationen benutzt. Die Wärmefreisetzung wird entweder durch ein gewichtetes tabelliertes chemisches Gleichgewicht, oder durch gewichtete tabellierte laminare Flamelets beschrieben. Die lokale Gaszusammensetzung wurde mit Abgassonden und anschließender Gasanalyse bestimmt. Zur Messung der Geschwindigkeitskomponenten wurde die Laser Doppler Anemometrie (LDA) eingesetzt. Die Temperaturen wurden mit Thermoelementen und mit Hilfe der Meßtechnik Kohärente Anti-Stokes Raman Streuung (CARS) bestimmt. Die Übereinstimmung zwischen Messung und Rechnung ist hinreichend für einen sinnvollen Vergleich von Wärmefreisetzung und Schadstoffproduktion. Die mit Hilfe der laminaren Flamelets beschrieben Wärmefreisetzung konnte mit den gemessenen CARS-Temperaturen kalibriert werden, so daß die berechnete O-Konzentration zum gemessenen NOx-Niveau führt. In den Rechnungen mit dem chemischen Gleichgewichts kompensierten sich die Fehler in der Temperatur- und Speziesberechnung bei atmosphärischem Druck, so daß auch hier das gemessene NOx-Niveau errechnet wurde. Eine numerische Studie zum Einfluß des Brennkammerdruckes auf die NOx-Emissionen zeigt die Dominanz der Emissionen in der Mischzone.