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Grundlagen
2.4 Turbulente Verbrennung
Bei der Verbrennungsmodellierung werden vier wesentliche Fälle unterschieden:
vorgemischte und nicht-vorgemischte Verbrennung mit den jeweiligen
Aufteilungen in laminare und turbulente Flammen. In der Praxis finden die
laminaren Flammen in der Heiztechnik ihre Anwendung, während in vielen
anderen technischen Anwendungen wie Kolbenmotoren, Gasturbinen, Raketentriebwerken
oder Öfen turbulente Zustände herrschen. Um turbulente
Flammen verstehen und beschreiben zu können, ist die Betrachtung der einfacheren,
laminaren Flamme notwendig, da diese alle grundlegenden Prozesse
enthält.
2.4.1 Vorgemischte Verbrennung
Unabdingbar für jede chemische Reaktion ist, dass die Reaktanten auf molekularer
Ebene gemischt sind. Bei der vorgemischten Verbrennung werden
Oxidator und Brennstoff vor der Brennkammer (oder Düse) zusammengeführt
und vollkommen gemischt. Dies geschieht bei einer Temperatur die
deutlich unterhalb der Temperatur der Selbstzündung liegt. Wird das Gasgemisch
an einer Stelle gezündet, können Flammen durch dieses hindurch propagieren.
Die Flammenfront kann sich auf drei wesentliche Arten räumlich
fortpflanzen: durch laminare oder turbulente Flammenausbreitung (auch als
Deflagration bezeichnet), sowie durch Detonation. Während sich bei der Detonation
die Flamme mit einer Druckwelle ausbreitet, und dabei sehr hohe
Geschwindigkeiten erreichen kann (mehr als 1000 m/s), bestimmen bei der
Deflagration Transportprozesse die Ausbreitungsgeschwindigkeit (O (1 m/s)).
Ein wichtiger Parameter der vorgemischten Verbrennung ist die laminare
Flammengeschwindigkeit. Diese ist definiert als die Geschwindigkeit, mit der
sich die ebene Flammenfront relativ zum anströmenden Frischgas bewegt.
Die Ausbreitung der Flamme geschieht aufgrund folgender im Gleichgewicht
stehenden Prozesse: Reaktion, Diffusion und Wärmeleitung. Die sich daraus
ergebende Flammenstruktur ist in Abbildung 2.4 dargestellt. Durch die starken
Gradienten an der Flammenfront wird die angrenzende Frischluft er-
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