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Berichte zur Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz ___BEV Schriftenreihe Heft 1.4 Dr. rer. nat. Friedrich Dinkelacker Struktur turbulenter Vormischflammen Eines der grundlegenden Themen der Verbrennungstechnik ist die Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Reaktion in turbulenten Flammen. Gerade bei hohen Turbulenzintensitäten, wie sie in Motoren, Gasturbinen oder Industriefeuerungen auftreten, wurden seit 60 Jahren verschiedenste Modellansätze kontrovers diskutiert. Besonders für turbulente Vormischflammen waren Messungen lange Zeit nur sehr eingeschränkt und indirekt möglich, weil die Flammenfront hier dünner als ein Millimeter sein kann und sehr starke räumliche Fluktuationen im Turbulenzfeld aufweist. Wesentliche Fortschritte sind nun durch planare und dreidimensionale Lasermesstechniken möglich geworden, die berührungsfrei sind und eine hinreichend aufgelöste räumliche und zeitliche Erfassung der direkten Struktur turbulenter Flammen erlauben. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle Untersuchungen verschiedener Arbeitsgruppen zur turbulenten Flammenstruktur auf eine vergleichbare Ebene gebracht und im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Modellansätzen diskutiert. Es zeigt sich, dass in früheren Modellen die Bedeutung der kleinskaligen Kolmogorov-Wirbel auf die Flammenstruktur deutlich überschätzt wurde. Als Begründung wird zum einen der stark temperaturabhängige Viskositätseinfluss auf die Dissipation der kleinsten Wirbel angeführt, zum anderen aber die starke Lokalisierung dieser kleinskaligen Turbulenzstrukturen. Dagegen zeigt sich ein deutlicher Streckungseinfluss durch lokale Strömungsgradienten auf die Flammenfrontstruktur. Dieser Streckungseinfluss führt entgegen den theoretisch erwarteten verdickten Flammenfronten brennstoffabhängig teilweise sogar zu dünneren Flammenfronten. Eine Neubewertung der physikalischen Modellvorstellungen führt zu einem modifizierten Bereichsdiagramm für turbulente Vormischflammen. Die vorliegende Arbeit wurde von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg als Habilitationsschrift für das Fachgebiet Technische Thermodynamik angenommen. Schriftenreihe Heft 1.5 Dipl.-Ing. Armin Soika Laseroptische Untersuchungen zum Einfluss des Druckes auf die Struktur turbulenter Vormischflammen Promotionspreis 2002 der Technischen Fakultät Universität Erlangen-Nürnberg Die Verbrennung fossiler Energieträger erfolgt meist in Hochdruckbrennkammern mit stark turbulenter Strömung. Vor allem die verbesserte Stabilität turbulenter Vormischflammen und die erhöhte chemische Reaktivität bei Drucksteigerung ermöglichen bei weiterer Prozessoptimierung die Einhaltung zukünftiger Emissionsauflagen. Wegen des erhöhten experimentellen Aufwandes sowie der Komplexizität der numerischen Beschreibung ist diese Art der Verbrennungsführung bislang jedoch nur wenig untersucht worden mit demzufolge fehlendem Verständnis des Reaktionsablaufes. Um den Einfluss des Druckes auf die Struktur turbulenter Vormischflammen unter Einsatz planarer Lasermessmethoden quantitativ zu erfassen, wurde ein optisch zugänglicher Hochdruckbrennkammer-Prüfstand aufgebaut. Die Konstruktion der Versuchsanlage sowie die Grundlagen der angewandten Rayleigh-Streuung und laserinduzierten Fluoreszenz werden beschrieben. Neben der Diskussion globaler Flammenphänomene bei Drucksteigerung auf 10 bar stand die experimentelle Bestimmung der Flammenfrontkrümmung gasturbinentypischer Verbrennungsprozesse im Vordergrund. Um mögliche Mechanismen der verstärkten Flammenfrontauffaltung bewerten zu können, wurde das turbulente Strömungsfeld vermessen und die Reaktionskinetik der Methan/Luft-Verbrennung mit CHEMKIN simuliert. Es zeigt sich, dass die abnehmende Faltungslänge der Flammenfront eine ähnliche Druckentwicklung wie die Taylor-Wirbelskalen besitzt. Als ein Indiz für den zunehmenden Einfluss der Reaktionskinetik bei Hochdruckverbrennungsprozessen wird die gute Übereinstimmung der Krümmungscharakteristik mit der durch lineare Analyse abgeleiteten Flammeninstabilität in Trend und Stöchiometrieverhalten gewertet.
Berichte zur Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV Schriftenreihe Heft 1.6 Dipl.-Phys. Stephan Schraml Innovationspreis Lasertechnologie 2001 Anwendung der laserinduzierten Glühtechnik zur Rußdiagnostik dieselmotorischer Verbrennungsprozesse Im Mittelpunkt dieses Berichtes steht die Anwendung der laserinduzierten Glühtechnik (LII) an motorischen Verbrennungssystemen in verschiedenen Ausführungsvarianten. Dabei wird das zum Einsatz kommende laseroptische Verfahren zunächst detailliert dargestellt und in Bezug auf die technische Applikation weiterentwickelt. Hierbei werden vielfältige Möglichkeiten aufgezeigt und Messstrategien entwickelt, die das gesamte Anwendungsspektrum von innermotorischen Grundlagenuntersuchungen bis hin zum standardisierten Einsatz als Abgasmesstechnik abdecken. Neben der Rußmassenkonzentration wird hierbei insbesondere auch die Primärteilchengröße, die die Oberflächenemission des Motors beschreibt, als zusätzliche Messgröße mit einbezogen. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten konnten vielfältige aktuelle Fragestellungen zur Dieselrußemission bearbeitet werden. Bei zweidimensional abbildenden Untersuchungen innerhalb des Brennraums eines Common-Rail-Dieselmotors konnten beispielsweise der Einfluss verschiedener Einspritzdüsengeometrien auf die Rußbildung sowie das zeitliche Verhalten der Rußmassenkonzentration untersucht werden. Mit dem für den Abgasbereich vorgestellten kompakten Sensor konnten weiterhin Einflüsse von Drehzahl, Last, Einspritz- und Ladedruck, Kraftstoff und transienten Lastwechseln auf verschiedene Kenngrößen des Abgasrußes aufgedeckt werden. Schriftenreihe Heft 1.7 Dipl.-Ing. Thomas Hubner Simultane Bestimmung von Feststoffdichte, Korngröße und Partikelform mittels laseroptischer Sedimentationsverfahren In diesem Bericht werden neuartige Sedimentationsmesstechniken zur simultanen Bestimmung mehrerer Partikelmerkmale vorgestellt. Die Verteilungen von Feststoffdichte und Korngröße stellen zentrale Kenngrößen von heterogenen Partikelkollektiven, insbesondere des Umweltmediums Boden, dar. Sie ermöglichen wertvolle Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften des Bodens, beispielsweise das Adsorptionsvermögen, die Kompaktierbarkeit, die Fähigkeit zur Feuchtigkeitsaufnahme, das Wasserrückhaltevermögen oder die hydraulische Leitfähigkeit. Bei der Bodenreinigung ist die Kenntnis der Verteilungen von Korngröße und Feststoffdichte bedeutsam, da einerseits der Schadstoffgehalt mit der Feststoffdichte und Korngröße korreliert und andererseits viele verfahrenstechnische Dekontaminationsprozesse, insbesondere Klassier- bzw. Sortierprozesse, auf unterschiedlichen Korngrößen und Feststoffdichten des Aufgabegutes beruhen. Die physikalischen Grundlagen von laserbasierten Sedimentationsverfahren zur simultanen Bestimmung der Verteilungen von Feststoffdichte und Korngröße werden in diesem Bericht expliziert dargestellt. Dabei werden mit der Kombination der beiden Korngrößenmesstechniken Photosedimentation und Laserbeugung sowie der Sedimentationsanalyse mittels digitaler Bildverarbeitung zwei alternative, auf unterschiedlichen Partikelmerkmalen beruhende Messverfahren vorgestellt, wobei letzteres zusätzlichen Informationsgewinn über die Partikelform ermöglicht. Die Berechnungsmodelle zur Ermittlung der Feststoffdichte unter Einbeziehung des Strömungszustandes sowie der Partikelform werden umfassend erläutert und anhand von Simulationsrechnungen verifiziert. Experimentell wurden die Untersuchungen in modularen und kompakten Instrumenten durchgeführt, wobei bis auf die Laserbeugung Eigenentwicklungen verwendet wurden. Der Aufbau und die Funktionsweise dieser Instrumente sowie der verwendeten optischen Messtechniken wird detailliert dargestellt. Resultate von experimentellen Untersuchungen an homogenen Materialien, darunter zertifizierte Referenzmaterialien, an heterogenen Partikelkollektiven sowie an verschiedenen Bodenarten werden dargestellt. Eine explizite Fehlerfortpflanzungsanalyse zeigt die Möglichkeiten und Limitationen dieser Messverfahren zum jetzigen Zeitpunkt auf.
Seite 1 und 2: Berichte zur Energie- und Verfahren
Seite 7 und 8: BERICHTE ZUR ENERGIE- UND VERFAHREN
Seite 17: Berichte zur Energie- und Verfahren
Seite 37: Berichte zur Energie- und Verfahren

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