2. Grundlagen zum Phänomen „Feuertornado“ - IFD

Inhaltsverzeichnis
1. Aufgabenstellung 2
1.1 Einleitung und Motivation 3
2. Grundlagen zum Phänomen „Feuertornado“ 4
3. Frühere Versuche zum Thema „Feuertornado“ 8
4. Aufbau und Anforderungen an die Versuchsanlage 11
4.1 Teilbereiche der Versuchsanlage 11
4.2 Aufbau 14
5. Messungen 26
5.1 Einflussparameter 27
5.2 Auswertung 28
5.3 Ausblick 32
6. Verzeichnisse 33
6.1 Literaturverzeichnis 33
6.2 Abbildungsverzeichnis 33
7. Anhang 35
7.1 Dimensionsbehaftete Plots 35
7.2 CAD Zeichnungen 36
Diplomarbeit von
Marco Poletti
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1. Aufgabenstellung
Die Zielsetzung dieser Diplomarbeit ist es, ein klassisches Experiment
zur Strömungsvisualisierung einer turbulenten Strömung nachzubauen.
Es handelt sich dabei um einen sogenannten „Feuersturm“, auch bekannt
als „Feuertornado“. In diesem Experiment wird der starke Einfluss
der Turbulenz und der Wirbelstreckung auf einen Verbrennungsvorgang
aufgezeigt.
Durch Rotation eines Maschendrahtgitters, welches eine kleine laminare
Diffusionsflamme umschliesst, wird eine drastische Steigerung der
Verbrennungsrate erzeugt und die Brennzone vergrössert sich um mehr
als eine Grössenordnung.
Dieses Phänomen des Flammentornados hat viele Parallelen mit anderen
Wirbelphänomenen z.B. Windtornados oder Wasserhosen.
Dieser Tornado wird aber noch zusätzlich komplexer durch den Einfluss
der Verbrennung.
Im Detail umfasst diese Arbeit folgende Schritte:
• Evaluation der bestehenden Literatur von früheren Versuchen zum
Phänomen „Feuertornado“,
• Entwurf der mechanischen Versuchsanlage,
• Betrieb der Anlage und Bestimmung der Betriebszustände,
• Strömungsvisualisierung.
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1.1 Einleitung und Motivation
Der Feuertornado ist eine seltene, aber sehr eindrückliche und gefährliche
Form von Feuer. Dieses Phänomen kann in der Natur sowie auch in
besiedelten Gegenden vorkommen. Seine grösste Signifikanz liegt im
Bereich der Bekämpfung von Wald - und Häuserbränden in Städten. Es
ist möglich, wenn ein Waldbrand ausbricht, dass durch Wind und durch
die für die Verbrennung angeströmte Luft eine Verwirbelung der Umgebungsluft
entsteht, welche durch die angrenzenden Bäume oder Häuser
induziert wird. Durch diese Verwirbelung und deren Drehimpuls kann
somit ein solcher Feuertornado entstehen. Der Feuertornado ist von der
Struktur her ähnlich aufgebaut wie ein Windtornado oder eine Wasserhose,
nur dass beim Feuertornado die Folgeschäden durch Brände noch
gravierender sind für die Natur. Die Löscharbeiten werden dadurch fast
verunmöglicht, da sich dieses mächtige Feuer ohne Probleme auf die
nähere Baumumgebung ausbreiten kann. Dasselbe Schauspiel wurde
ebenfalls bei Stadtbränden beobachtet und so gab es für ganze Stadtteile
keine Rettung mehr.
Die Aufgabe dieser Arbeit besteht nun darin, dieses Feuerschauspiel im
Kleinen in einer geeigneten Versuchsanordnung nachzubauen.
Das Ziel dieses Unterfangen liegt hauptsächlich darin, den Studenten
und anderen Interessenten dieses Turbulenzphänomen nahe zu bringen
und als Anschauungsunterricht zu benutzen. Die Wirbelstrukturen müssen
nicht mehr nur auf theoretische Weise den Studenten erklärt werden.
Sie können ihnen nun mit einer Versuchsanordnung auf eindrückliche
Weise gezeigt werden.
Der Vorteil gegenüber anderen turbulenten Luftströmungen liegt darin,
dass man sehr gut die verschiedenen Wirbelstrukturen der turbulenten
Flamme erkennen kann ohne weitere Visualisierungsapparatur oder
Markierstoffe. Die helle Flamme hebt sich gut sichtbar von der Umgebung
ab.
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Abb. 1: Struktur des Feuertornados.
2. Grundlagen zum Phänomen „Feuertornado“
Beim Ausführen diese Experiments kann man beobachten, dass sich eine
laminare Diffusionsflamme eines sich in Ruhe befindenden Brenners
um mehr als eine Grössenordnung vergrössert, indem man von aussen
eine Verwirbelung der Luft um diese Flamme aufzwingt. Durch diese so
entstehende turbulente Flamme wird ebenfalls eine drastische Vergrösserung
der Verbrennungsrate gemessen.
Diese Turbulenz wird hier mit Hilfe eines um die Flamme rotierten Gitterkäfigs
aufgezwungen.
Für Diffusionsflammen, wie zum Beispiel die offene Flamme eines mit
Brennstoff gefüllten Beckens, sind folgende Merkmale typisch:
Die Luft und der Brennstoff werden in den Brennraum getrennt zugeführt.
Der Brennvorgang läuft in der atmosphärischen Umgebung ab mit
dem Luftsauerstoff als Oxidator.
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Die beiden Medien Luft und Brennstoff sind nahezu nicht vorgemischt.
Die Verbrennung in Diffusionsflammen wird durch die Vermischung des
Brennstoffs mit der Luft bestimmt, d.h. durch Diffusion, Konvektion und
aufgezwungenen Turbulenzen der Umgebungsluft.
Bei der laminaren Diffusionsflamme geschieht die Mischung (Brennstoff/Luft)
durch Diffusion. Die Verbrennungsreaktion läuft aber viel
schneller ab als die Mischung der beiden Medien. Dadurch bildet sich
eine dünne Flammzone (Flammenfront), welche sich an einer bestimmten
Stelle stabilisiert. Die Verbrennungsreaktion des Brennstoffs mit der
Luft findet in dieser nahezu glatten Flammenfront statt.
Falls die Luft um den Brennstoff in Ruhe ist, wie es der Fall ist, wenn der
Gitterkäfig um die Flamme nicht rotiert, so bilden sich kaum Turbulenzen
um die Flamme. Folglich bleibt die Flamme laminar.
Abb. 2: Schematische Darstellung einer laminaren Diffusionsflamme über einem
Brennstoffbecken.
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Wenn eine turbulente Strömung der Umbebungsluft um die Flammzone
aufgezwungen wird, so schlägt die laminare Diffusionsflamme in eine
turbulente Flamme um. Diese aufgezwungene Turbulenz wird durch Rotieren
eines Maschendrahtgitterkäfigs erzeugt, welches in einem
bestimmen Abstand um die Flamme zu einem Zylindermantel zusammengefügt
wird.
Die Wirbel der aufgezwungenen Turbulenz beeinflussen die Struktur der
laminaren Flammenfront. Die Flammenfront wird durch die Wirbel stark
gefalten, was zu einer markanten Vergrösserung der Flammenfront führt.
Die Fläche, bei welcher die Verbrennungsreaktion zwischen der Luft und
dem Brennstoff abläuft, wird stark vergrössert und somit wird auch die
Verbrennungsrate des Brennstoffs massiv erhöht.
Abb. 3: Schematische Darstellung einer turbulenten Diffusionsflamme über einem
Brennstoffbecken.
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Des weiteren werden die Wirbellinien der aufgezwungenen Wirbel der
Umgebungsluft gestreckt.
Diese r Wirbellinien verlaufen parallel zu den jeweiligen Wirbelvektoren
( r
ω x, t ) .
Nach der Wirbeltransportgleichung für inkompressible Strömungen gilt
r
∂ω
+
∂t
r
r
r
( u ⋅∇) ⋅ω
= ( ω ⋅∇) ⋅u
+ ν ⋅∆ω
r
r
mit
r =∇×
u r
ω .
Der Term (
r ω ⋅ ∇) ⋅ u r stellt den sogenannten Wirbelstreckungsterm dar.
Die Erklärung für die Streckung der Wirbellinien ist die folgende:
Durch die vertikale Auftriebsbeschleunigung der heissen Verbrennungsprodukten
an der Flamme, werden die Wirbellinien gestreckt und somit
dehnt sich auch die Flamme nach oben aus.
Dadurch herrscht in Flammennähe ein Unterdruck, welcher verantwortlich
ist, dass unverbrannte Luft aus der Umgebung zur Flamme nachströmt.
Die Brennzone wird um mehr als eine Grössenordnung gestreckt. Das
so entstandene Turbulenzphänomen nennt man einen Feuertornado.
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3. Frühere Versuche zum Thema „Feuertornado“
a. Versuch von Emmons und Ying
Die ersten Versuche zum Thema „Feuertornado“ wurden von Emmons
und Ying (1967) [1] durchgeführt. Sie erhielten dieses Flammenphänomen,
indem sie ein Brennstoffbecken, welches mit Aceton gefüllt war, in
die Mitte einer kreisförmigen Platte setzten. Die Platte mit dem Brennstoffbecken
blieb während des Experiments in Ruhe.
Des weiteren konnten verschiedene zirkulierende Strömungen von aussen
auf diese Versuchsanordnung aufgezwungen werden. Dies geschah
durch Rotation eines mit Schlitzen versehenes Blechs, welches zu einem
Zylindermantel um die kreisförmige Platte angeordnet war.
Die Rotationsgeschwindigkeit Ω konnte variiert werden von 0.8 bis 10
Umdrehungen pro Minute (Upm).
Es wurde im Abstand von 3.6 m um die gesamte Anlage eine Abschirmung
aufgebaut, um ungewollte Luftströmungen der Umgebung auf die
Flamme zu minimieren. Dazu wurden alle Türen zum Versuchsraum geschlossen
und die Klimaanlage wurde ausgeschaltet.
Die Abmessungen der Versuchsanlage wurden folgendermassen gewählt.
Durchmesser des Brennstoffbeckens
Durchmesser der kreisförmigen Platte
Höhe des rotierbaren Blechs mit Schlitzen
0.1 m
2.4 m
3 m
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Bei diesem Versuch ergaben sich folgende Flammenhöhen.
Flammenhöhe ohne äussere Zirkulation
(Ω=0 Upm)
Flammenhöhe mit Rotation der Drehscheibe
mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit Ω von 4 Upm
0.45 m
4.5 m
„Feuertornado“
Abb. 4: Versuchsaufbau von Emmons und Ying.
Emmons und Ying massen Temperaturprofile in Abhängigkeit des radialen
Abstands r zur Rotationsachse in verschiedenen Höhen h über dem
Brennstoffbecken. → T(r, h=const.)
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Dieser Versuch wurde für verschiedene Rotationsgeschwindigkeiten
durchgeführt.
Es wurde gezeigt, dass sich bei zunehmender Stärke der Zirkulation der
über die Höhe gemittelte Radius der Flamme verringert und dass sich
die über den Radius gemittelte Temperatur erhöht bei den entsprechenden
gemessenen Höhen.
Des weiteren wurde festgestellt, dass die Position der Flamme stark um
die Rotationsachse wandert. Es konnte trotz grossen Anstrengungen
kein externer Grund für diese Instabilität der Flamme gefunden werden.
b. Versuch von Soma und Saito
Weitergehende Versuche mit extern aufgezwungener Zirkulation wurden
von Soma und Saito (1991) [2] durchgeführt.
Sie machten zeitlich aufgelöste Messungen der Winkelgeschwindigkeiten
in der Flamme als Funktion des Radiuses r.
Diese Messungen wurden auf verschiedenen Höhen h über dem Brennstoffbecken
wiederholt. → v θ (r, h=const.)
Auf diese Weise konnte eine vom Radius abhängige azimutale Geschwindigkeitsverteilung
in der Flamme bestimmt werden.
c. Versuch von Satoh und Yang
In einer dritten Studie von Satoh und Yang (1996) [3] wurde ein Feuertornado
experimentell sowie auch numerisch untersucht.
Der Versuchsaufbau sah folgendermassen aus:
Die Flamme ist umgeben von einer vierseitigen undurchlässigen Umzäunung,
welche nach oben geöffnet ist.
An allen vier Eckkanten wurden Spalten herausgeschnitten. Diese Spalten
erzeugen eine Verwirbelung der Umgebungsluft, welche von der
Flamme angezogen wird, da am unteren Teil der Flamme wegen den
aufsteigenden heissen Verbrennungsprodukten ein Unterdruck herrscht.
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Die Autoren wiesen darauf hin, dass dieser Aufbau realistischer sei für
eine Simulation z.B. eines Waldbrandes, als wenn man einfach von aussen
eine bestimmte Zirkulation auf die Flamme aufzwingt.
In diesem Fall entsprechen die Spalten in den Eckkanten gerade den
Baumabständen eines Waldes.
Mit dieser Versuchsanordnung ist es im Gegensatz zu den vorherigen
Versuchen nicht möglich, den Einfluss von verschiedenen Zirkulationen
auf den Feuertornado zu evaluieren. Es kann aber ein Zusammenhang
zwischen den verschiedenen Flammenformen gewonnen werden, wenn
man die Breite der Spalten in den Ecken variiert. Diese Messungen
wurden jedoch nicht gemacht.
4. Aufbau und Anforderungen an die Versuchsanlage
Es wurden verschiedene Ziele und Anforderungen für die Konstruktion
der Versuchsanlage vorgegeben, um in Sachen Kompaktheit, einfache
Montierbarkeit sowie Demontierbarkeit Verbesserungen gegenüber früheren
Versuchsanordnungen zu erhalten, um diese Anlage ohne grosse
Probleme von einem Standort zu einem anderen transportieren zu können
oder auf wenig Raum aufzubewahren.
4.1 Teilbereiche der Versuchsanlage
Die Gesamtanlage zur Realisierung eines Feuertornados sieht folgendermassen
aus (Abb.5): Die Versuchsanlage misst eine Gesamthöhe
von ca. 2.5 Metern, besitzt eine Breite von ca. 1.5 Metern und hat ein
Gewicht von etwa 75 Kg.
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4
Drahtgitter
5
1
3
2
Feststellbare Bockrollen
Abb. 5: Aufbau der Versuchsanlage zur Erzeugung eines Feuertornados.
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Die gesamte Konstruktion wurde in fünf verschiedene Bereiche aufgeteilt,
um die Komplexität der Arbeit für die Konstruktion zu vermindern
und ein paralleles Arbeiten an den verschiedenen Komponenten zu ermöglichen.
Die folgenden 5 Hauptkomponenten haben sich damit ergeben.
1. Drehscheibe
- Rotationselement für die Erzeugung der aufgezwungenen Zirkulation
- Einbau einer Vorrichtung zum Zünden und Löschen des Brennstoffs
2. Gestell
- Trägerkonstruktion für die ganze Versuchsanlage
3. Lagerung und Antrieb der Drehscheibe
- Antriebs-, Auflage- und Leiträder für die Rotationsbewegung der
Drehscheibe
4. Gitterkäfig
- Modul für die Erzeugung der aufgezwungenen Zirkulation
5. Brenner
- Brennstoffbecken und Brennstoffzufuhr für die Flamme
Die Schnittstelle zwischen Gestell und Lagerung/Antrieb der Drehscheibe
sowie die Schnittstelle zwischen Drehscheibe und Gitterkäfig mussten
speziell betrachtet werden, damit die Konstruktion als Ganzes einwandfrei
funktionieren kann.
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4.2 Aufbau
1. Drehscheibe
ii)
i)
iii)
iv)
Abb. 6: Drehscheibe zur Erzeugung der aufgezwungenen Zirkulation.
Die Drehscheibe mit einem Aussendurchmesser von 1200 mm und einer
Stärke von 30 mm ist das Hauptbestandteil dieser Anlage. Als Material
wurde eine MDF Platte (mitteldichte Faserplatte) verwendet.
Sie rotiert um den im Zentrum stationär stehenden Brenner. Die Drehscheibe
ist zusammen mit dem Gitterkäfig verantwortlich für die aufgezwungene
Zirkulation um die Flamme, damit ein Feuertornado entstehen
kann. Des weiteren ist diese Drehscheibe beschichtet mit einer sogenannten
schwarzen MAX- Beschichtung, welche die Lauffläche bietet für
die Auflage- und Leiträder zur Rotation der Drehscheibe.
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i) Öffnung für den Brenner
Im Zentrum der Drehscheibe befindet sich ein rundes Loch mit einem
Durchmesser von 120 mm. In diesem Loch befindet sich das
stationär liegende Brennstoffbecken des Brenners mit Durchmesser
100 mm.
ii)
iii)
Öffnung für Zündung und Löschen
Dieses Loch besitzt auf der Oberseite bis zu einer Tiefe von 20 mm
einen Durchmesser von 120 mm und auf der Unterseite einen
Durchmesser von 150 mm. Durch diese Öffnung ist es möglich an
das Brennstoffbecken zu gelangen, um den Brennstoff zu Beginn
eines Versuchs zu entzünden oder am Ende wieder zu löschen.
Letzteres kann mit Hilfe eines Metallblechs geschehen, indem man
die Flamme durch das Aufsetzen dieses Blechs zum Ersticken
bringt. Während des Versuchs kann diese Öffnung in der Drehscheibe
mit einem passend dazu konstruierten Deckel geschlossen
werden.
Schnittstelle zum Gitterkäfig
An vier Stellen der Drehscheibe, welche 90° zueinander gedreht
liegen, wurden 8 mm tiefe kreisrunde Taschen ausgefräst. In diese
Taschen wurden 8 mm hohe Messingzylinder eingeschraubt, welche
in der Mitte ein Loch mit einem Innengewinde enthalten
(Abb. 7). In diese Gewinde können nun die unteren Gitterrohre des
Gitterkäfigs direkt eingeschraubt werden, da diese Rohre am unteren
Ende das dazugehörige Aussengewinde besitzen. Dies vereinfacht
das Montieren bzw. Demontieren des Gitterkäfigs und der
Drehscheibe.
Abb. 7: Schnittstelle zwischen Gitterkäfig und Drehscheibe.
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iv)
Sicherheitsring
Als Sicherung gegen Kippen der Anlage wurde auf der Unterseite
der Drehscheibe ein 40 mm breiter Aluminiumring mit einer Stärke
von 4 mm aufgeschraubt, welcher 15 mm über den äusseren Rand
der Drehscheide übersteht.
Zu diesem Zwecke wurde am äusseren Rand eine 4 mm tiefe Aussparung
in die Drehscheibe gefräst, damit die Unterseite der Drehscheibe
trotz dieses Sicherheitsring eben bleibt.
Angesichts dieses Aluminiumrings kann die Scheibe mit dem Gitterkäfig
nicht kippen, da sich die seitlichen Leiträder schon bei einer
kleinen Neigung der Drehscheibe mit diesem Ring verkeilen
würden.
Dies gewährleistet, dass die Versuchsanlage nicht während eines
Versuchs kippt und durch Auslaufen des brennenden Brennstoffs
möglicherweise ein Brand verursacht wird.
Leitrad
Sicherheitsring
Abb. 8: Sicherung gegen Kippen der Anlage.
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2. Gestell
Das Gestell für den Unterbau der Versuchsanlage wurde mit 40x40 mm 2
Aluminium Maytec-Profilen konstruiert. Der grösste Vorteil dieser Maytec-Profil
Konstruktion gegenüber einer Schweisskonstruktion liegt darin,
dass man dieses Gestell schnell demontieren oder anderes Versuchszubehör
anbringen kann.
Die Nuten längs jeder Seite dieser Profile bieten die Möglichkeit für
nachträgliche Zusatzkonstruktionen.
i)
ii)
iv)
iii)
Abb. 9: Gestell für den Unterbau der Versuchsanlage.
Als Grundrissform für das Gestell wurde ein regelmässiges Sechseck mit
einer Seitenlänge von 756 mm gewählt.
Durch diese Wahl konnte eine kompakte und symmetrische Anlage konstruiert
werden. Die Drehscheibe ist in dieses Sechseck einbeschrieben.
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i, ii) Stützprofile
Der Oberbau mit Drehscheibe und Gitterkäfig wird durch sechs
Stützen getragen. Die drei Stützen i) haben jedoch nur wenig Beitrag
zur Gewichtsaufnahme des gesamten Oberbaus und
dienen zur Verstärkung des Gestells, also für die Verbindung der
beiden Formgebenden Sechsecke. Die Gewichtskraft des Oberbaus
wird hauptsächlich über die Stützdreiecke, auf welchen die
Auflageräder montiert sind, in die drei Hauptstützen ii) eingeleitet.
Die drei Hauptstützen wurden deshalb unter den drei Auflageräder
angebracht, um das Gewicht der Drehscheibe und des Gitterkäfigs
in die Hauptstützen einzuleiten.
Durch diese Wahl der Standorte der Hauptstützen ergeben sich
keine ungewollten Querkräfte auf die Hauptstützen.
Abb. 10: Hauptstützen und Stützdreiecke zur Aufnahme der Gewichtskraft des
Oberbaus.
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iii)
Bockrollen
Zur Standortverschiebung der Anlage wurden drei feststellbare
Bockrollen gewählt, welche kompatibel sind zum 40x40 mm 2 Maytec
Profilsystem.
Die Bockrollen wurden unterhalb der Hauptstützen angebracht und
tragen somit das ganze Gewicht der Versuchsanlage. Die Verbindungsbolzen
zwischen den Rädern und dem Gestell werden dadurch
ebenfalls nicht auf ungewollte Querkräfte beansprucht.
Abb. 11: Bockrollen zur Standortverschiebung der Anlage.
iv)
Leiträderaufsätze
Für die Halterung der seitlichen Leiträder der Drehscheibe wurden
drei kleine Maytec-Profilteile auf der oberen Fläche des oberen
Sechsecks angebracht (Abb. 12). Diese sind horizontal verschiebbar
bzw. in den Nuten der Profile des oberen Sechsecks feststellbar.
Dadurch ist es möglich, die seitlichen Leiträder in die richtige Position
an die Drehscheibe heranzuschieben oder eventuell ein wenig
Spiel zur Drehscheibe einzustellen.
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Ebenfalls ist es dadurch schnell möglich, die Versuchsanlage zu
demontieren, also die Drehscheibe vom Gestell zu entfernen, indem
man die Leiträder von der Drehscheibe weiter weg verschiebt.
Abb. 12: Aufsätze zur Halterung der seitlichen Leiträder.
3. Lagerung und Antrieb der Drehscheibe
Um die Drehscheibe um den im Zentrum stationär liegenden Brenner in
Rotation zu versetzten, wurde eine Anordnung von drei Auflageräder und
drei Leiträder gewählt, welche die Drehscheibe in ihrer Rotationsbewegung
führen. Alle sechs Räder besitzen einen Durchmesser von 80 mm.
Eines der Auflageräder wird von einem Elektromotor angetrieben.
Die Forderung von nur drei Auflageräder war zwingend, damit gewährleistet
wird, dass das Antriebsrad immer belastet wird.
Bei mehr als drei Auflageräder ist das nicht mehr unbedingt der Fall, falls
die Anlage zum Beispiel nicht auf ebenem Untergrund steht oder falls die
Auflageräder nicht exakt auf gleicher Höhe montiert sind.
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i)
iii)
ii)
Abb. 13: Anordnung der Auflage- und Leiträder.
i) Angetriebenes Auflagerad
Dieses Auflagerad wird von einem elektrischen Getriebemotor der
Firma Th. Zürrer AG angetrieben. Dieser 0.8 kg schwere Elektromotor
mit einer Nennleistung von 87 Watt besitzt die Möglichkeit
einer stufenlosen Einstellung der Drehzahl.
Somit kann die Drehzahl der Drehscheibe durch die Untersetzung
von Auflagerad zur Drehscheibe ebenfalls beliebig eingestellt werden.
Abb. 14: Elektromotor zum Antrieb eines der drei Auflageräder.
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ii)
Nichtangetriebene Auflageräder
Die drei Auflageräder sind zu einem gleichseitigen Dreieck angeordnet.
Dies war durch die sechseckige Grundrissform des Gestells
gut realisierbar.
Abb. 15: Nichtangetriebenes Auflagerad.
iii)
Leiträder
Die drei seitlich an der Drehscheibe angreifenden Leiträder gewährleisten
eine achsensymmetrische Rotationsbewebung der
Drehscheibe um das Brennstoffbecken.
Die drei Angriffspunkte der Leiträder mit der Drehscheibe bilden
wiederum ein gleichseitiges Dreieck, was optimal ist für die seitli-
eine Weise aus dem Gleichge-
che Führung der Drehscheibe.
Zudem sind die Leiträder in der Höhe verstellbar. Es kann so eine
passende Höhe der Angriffspunkte gefunden werden, bei welcher
die Leiträder sofort am Sicherheitsring der Drehscheibe anstehen
würden, falls die Anlage auf irgend
wicht
gebracht werden würde.
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4. Gitterkäfig
Der Gitterkäfig, welcher verantwortlich ist für die Erzeugung der Zirkulation
um die Flamme, wurde so konstruiert, dass er leicht zusammenge-
von
steckt und auch schnell wieder abgebaut werden kann.
Er würde sonst mit seinen 2 Metern Höhe und einem Durchmesser
1116 mm bei Nichtgebrauch sehr viel Platz in Anspruch nehmen.
i)
ii)
iii)
Abb. 16: Gitterkäfig zur Erzeugung der Zirkulation um die Flamme.
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i) Gitterrohre
Die sechs Gitterrohre zu je einem Meter Länge haben zusammen
mit den beiden Stützringen die Aufgabe, den Gitterkäfig zu stabilisieren
und das umspannte Maschendrahtgitter in dessen zylindrischer
Form zu halten.
Aluminiumrohre mit einem Aussendurchmesser von 16 mm und einem
Innendurchmesser von 10 mm wurden dazu verwendet.
Die unteren drei Gitterrohre können auf die Drehscheibe aufgeschraubt
werden.
ii)
Stützringe
Um die 2 mal 3 Gitterrohre in ihrer vertikalen Position zu halten,
können diese mit einem mittleren und einem oberen Stützring zusammengesteckt
werden.
Dies geschieht mittels Aluminiumbolzen mit einem Durchmesser
von 10 mm, welche an diese 4 mm starken und 40 mm breiten
Stützringe angeschweisst sind.
Diese Bolzen passen in die Gitterrohre des Gitterkäfigs hinein.
Abb. 17: mittlerer Stützring.
Abb. 18: oberer Stützring.
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iii)
Maschendrahtgitter
Zur schnellen Montage bzw. Demontage der Anlage wurde das
Maschendrahtgitter in zwei 1 m hohe Teilstücke aufgeteilt.
Das Gitter wird an seinen Enden und an den Gitterstangen mittels
Kabelbindern befestigt
Durch das rotierende Maschendrahtgitter mit einer Maschenweite
von 13 mm wird die Umgebungsluft um die Flamme in Turbulenz
versetzt, was entscheidend ist für die Bildung des Feuertornados.
Während den Versuchen wurde schnell bemerkt, dass die Brennstoffeinfüllung
sowie das Entzünden des Brennstoff im Brennstoffbecken
durch die Öffnung in der Drehscheibe sehr mühsam war,
da man sie jeweils von unten her weg- und wieder anschrauben
musste. Deshalb wurden im Maschendrahtgitter an zwei Orten
kleine Öffnungen ausgeschnitten. Durch die eine Öffnung kann mittels
einer Glaspipette der Brennstoff ins Becken gefüllt werden.
Durch die zweite Öffnung wird der Brennstoff mittels eines Streichholzes,
welches an einem Stab befestigt ist, gezündet.
5. Brenner
Als Brennstoffbecken wurde eine herkömmliche Weissblech Dose mit
einem Durchmesser von 10 cm gewählt. Die Dose wurde auf eine Höhe
von 2 cm zuruckgeschnitten.
Dies war nötig, da sonst der Brennstoffspiegel zu weit unten in der Dose
liegt. Die zur Verbrennung benötigte Umgebungsluft würde in die Dose
hinunter strömen und die Auftriebsströmung im Tornado behindern.
Des weiteren wurde die ringförmige Fuge zwischen dem Brennstoffbecken
und der Brennstoffbeckenöffnung in der Drehscheibe verschlossen,
um die von unten durch die Fuge dringende Strömung, welche die Bildung
des Tornados behindert, zu unterbinden.
Es wurden drei verschiedene Brennstoffe in Betracht gezogen, nämlich
Autobenzin, Ethanol und Aceton.
Es stellte sich schnell heraus, dass Aceton mit seinem hohen Dampfdruck
der ideale Brennstoff ist für die späteren Messungen.
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Das Autobenzin mit seinem ebenfalls hohen Dampfdruck erzeugte bei
der Verbrennung eine zu starke Russbildung und die Flammensichtbarkeit
bei Verbrennung mit Ethanol war wesentlich schlechter als diejenige
bei Verbrennung mit Aceton.
5. Messungen
Zur Analyse der Grösse, Struktur und der Stabilität eines Feuertornados
wurden verschiedene Messungen durchgeführt, um folgende Zusammenhänge
zu beschreiben.
Bei den ersten Versuchen zur Erzeugung eines Feuertornados wurde
schnell bemerkt, dass sich bei verschiedenen Einstellungen der Drehzahl
des Gitterkäfigs nicht sofort ein Tornado einstellt, sondern dass es
eine gewisse Zeit benötigt bis sich die aufgezwungene Zirkulation des
Gitterkäfig um die Flamme vollständig ausgebildet und sich so das Tornado
bilden kann.
Desshalb wurde der Zusammenhang zwischen der Zeitspanne tumschlag
bis zur Bildung des Feuertornados und der Drehzahl Ω des Gitterkäfigs
untersucht i).
Des weiteren wurde der Zusammenhang zwischen der Tornadohöhe hfl
und der Drehzahl Ω ii) sowie der Zusammenhang zwischen der
Verbrennungsrate r des Acetons und der Drehzahl Ω des Gitterkäfigs untersucht
iii).
Es wurden insgesamt drei Messreihen durchgeführt und jede einzelne an
einem anderen Tag. Die Messreihe war am jeweiligen Tag reproduzierbar.
Die Drehzahl Ω konnte stufenlos von 0 – 60 Upm eingestellt werden.
Für die Messungen wurden folgende Drehzahlen gewählt:
Ω= 0, 3, 7, 9, 11, 13, 20, 23, 26, 29, 32, 38, 42, 45, 52, 56 und 60 Upm.
Die jeweilige Drehzahl des Gitterkäfigs konnte mittels eines Sensors,
welcher an einem Frequenzzähler angeschlossen ist, abgelesen werden.
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Als Brennstoff wurde Aceton [4] verwendet mit einer Dichte ρ von
0.79 kg/l.
Zur späteren Berechnung der erzeugten Wärmeleistung Q’ des Tornados
benötigt man den unteren Heizwert Hu von Aceton.
Dieser liegt bei 28.5 MJ/kg.
Aceton als Brennstoff drängte sich desshalb auf, da die Verbrennung mit
Autobenzin eine zu starke Russbildung aufwies, was sich in einem geschlossenen
Raum als grosser Nachteil erwies und bei der Verbrennung
von Ethanol zeigte sich, dass die sich Flamme farblich schlecht von der
Umgebung abhebt. Die Flammenhöhe des Tornados konnte somit nur
ungenügend abgeschätzt werden.
Alle Messungen wurden mit der selben Anfangsbrennstoffmenge Vtot =
30 ml durchgeführt, um Aussagen über die Verbrennungsrate r des Tornados
machen zu können.
5.1 Einflussparameter
Es stellte sich heraus, dass nicht nur die Drehzahl Ω und die auf diese
Weise aufgezwungene Zirkulation eine Rolle für die Grösse und die Stabilität
des Feuertornados spielen.
Aus den Experimenten von Emmons und Ying [1] ging hervor, dass sie
mit ihrer Versuchsanlage bei einer Drehzahl von 5 Upm eine Tornadohöhe
von 4.5 Metern erreichten. Die einzigen Unterschiede im Aufbau
des Käfigs waren die Grösse des Gitterabstandes zur Flamme und die
Maschenweite bzw. Schlitzbreite.
Der Gitterabstand war doppelt so gross im Vergleich zur jetzigen Anlage.
Der Durchmesser des Brennstoffbeckens war ebenfalls 10 cm und als
Brennstoff wurde ebenfalls Aceton verwendet.
Der Einfluss der beiden Parameter Gitterabstand und Maschenweite des
Drahtgitters müssen bei der Bildung der Turbulenz um die Flamme und
somit auf die Grösse des Feuertornados eine entscheidende Rolle
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spielen, denn bei der jetzigen Versuchsanlage kam es bei einer Drehzahl
Ω von 5 Upm zu keiner Tornadobildung.
Aus Vorversuchen konnten einige störende Einflüsse auf die Tornadobildung
behoben werden.
• Bei allen durchgeführten Messungen wurden die Türen des Versuchsraumes
geschlossen, denn auf Grund von Durchzugsluft bei
offenen Türen konnten starke Stabilitätsschwankungen des Tornados
festgestellt werden.
• Durch die Visualisierung mit einer Rauchsonde konnte gezeigt
werden, dass die Fugenbreite zwischen der Brenneröffnung in der
Mitte der Drehscheibe und dem Brennstoffbecken einen starken
Einfluss auf die Zeitspanne tumschlag bis zur Tornadobildung hat. Es
konnte eine starke vertikale Strömung der unverbrannten Luft von
unten zur Flamme festgestellt werden, welche störend auf die Bildung
des Feuertornados wirkt.
• Wie schon erwähnt wurde die Brennstoffbeckenhöhe von 55 mm
auf 20 mm reduziert. Es konnte eine dem Tornado entgegengesetzte
Strömung in das Brennstoffbecken festgestellt werden, da
der Acetonspiegel zu tief lag im Brennstoffbecken.
Diese Strömung hatte einen negativen Einfluss auf die Flammenhöhe
hfl des Tornados.
5.2 Auswertung
Zur Auswertung der beschriebenen Messungen der Zeitspanne tumschlag
bis zur Tornadobildung, der Flammenhöhe hfl und der Verbrennungsrate
r jeweils in Abhängigkeit der Drehzahl Ω des Gitterkäfigs, wurden die
verschiedenen Plots in eine dimensionslose Form überführt.
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Zur Gewinnung der dimensionslosen Grössen wurden die folgenden Parameter
gewählt.
Dimensionsbehaftete
Grösse
Ω [1/s]
tumschlag [s]
Dimensionslose
Grösse [-]
Ekman Zahl:
E = υ/(Ω*d 2 )
tumschlag*Ω
Bemerkungen
υ: kin. Viskosität von Luft
υ = 14.6*10 -6 m 2 /s
d: Gitterabstand
hfl [m] hfl/D D: Brennstoffbeckendurchmesser
r [m 3 /s] r/(Ω*D 3 ) D: Brennstoffbeckendurchmesser
Die dimensionsbehafteten Plots befinden sich im Anhang 7.1.
i)
700
Abb. 19: Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt der Tornado
Enstehung t umschlag und der Drehzahl Ω des Gitterkäfigs.
t umschlag * Ω
600
500
400
300
200
100
Messreihe 1
Messreihe 2
Messreihe 3
0
6.0E-06 1.0E-05 1.4E-05 1.8E-05 2.2E-05 2.6E-05 3.0E-05 3.4E-05 3.8E-05 4.2E-05
Ekman Zahl [-]
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Die Werte für tumschlag*Ω divergieren für Ekman Zahlen kleiner als 8.9*10 -6
und für Ekman Zahlen grösser als 4.2*10 -5 . Für diese Ekman Zahlen
konnte kein Feuertornado entstehen.
Dies entspricht den Drehzahlen Ω= 0, 3, 7, 9, 56 und 60 Upm.
Es kann angenommen werden, dass es eine kritische Ekman Zahl
Ekrit = ] 4.2*10 -5 , 5.1*10 -5 [ gibt, bei der die laminare Diffusionsflamme in
ein Feuertornado umschlägt.
Ebenfalls kann angenommen werden, dass es eine Grenz-Ekman Zahl
Egrenz = ] 8.2*10 -6 , 8.9*10 -6 [ gibt, bei welcher das Tornado wieder zu einer
laminaren Diffusionsflamme abklingt.
Die kritische Ekman Zahl Ekrit entspricht einer kritischen Drehzahl
Ωkrit = ] 9, 11 Upm [ und die Grenz-Ekman Zahl einer Grenzdrehzahl
ΩGrenz = ] 52, 56 Upm [.
Für Ekman Zahlen zwischen diesen beiden Grenzen kann nahezu ein
konstanter Wert für tumschlag*Ω angenommen werden.
ii)
25
Abb. 20: Zusammenhang zwischen Flammenhöhe h fl und der
Drehzahl Ω des Gitterkäfigs.
h fl /D [-]
20
15
10
Messreihe 1
Messreihe 2
Messreihe 3
5
0
6.0E-06 1.4E-05 2.2E-05 3.0E-05 3.8E-05 4.6E-05 5.4E-05 6.2E-05 7.0E-05
Ekman Zahl [-]
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Aus Abb. 20 ist ersichtlich, dass sich die dimensionslose Flammenhöhe
hfl/D bei einem Tornado bis um einen Faktor von 5 vergrössert gegenüber
der laminaren Diffusionsflamme.
Für Ekman Zahlen, bei denen ein Tornado entstehen kann, variiert der
Wert für hfl/D stark um 12 und 20.
Es kann kein konkreter Verlauf von hfl/D in diesem Bereich der Ekman
Zahl angenommen werden.
iii)
2.5E+04
Abb. 21: Zusammenhang zwischen der Verbrennungsrate r und der
Drehzahl Ω des Gitterkäfigs.
2.0E+04
r/(Ω*D 3 ) [-]
1.5E+04
1.0E+04
5.0E+03
0.0E+00
Messreihe 1
Messreihe 2
Messreihe 3
6.0E-06 1.4E-05 2.2E-05 3.0E-05 3.8E-05 4.6E-05 5.4E-05 6.2E-05 7.0E-05
Ekman Zahl [-]
Abb. 21 zeigt den Verlauf der dimensionslosen Verbrennungsrate
r/( Ω*D 3 ) als Funktion der Ekman Zahl. Für Ekman Zahlen zwischen
8.9*10 -6 und 4.2*10 -5 kann der Verlauf von r/( Ω*D 3 ) als linear angenommen
werden. Dies entspricht exakt dem Bereich der Ekman Zahl, bei
welchem die Feuertornados entstehen konnten.
Beim dimensionsbehafteten Plot der Verbrennungsrate r in Funktion der
Drehzahl Ω im Anhang 7.1 sieht man, dass sich die Verbrennungsrate
während einer Tornado Phase bis um einem Faktor von 2.5 vergrössert
gegenüber der Verbrennungsrate bei der laminaren Flamme.
Dies gilt auch für die erzeugte Wärmeleistung Q’.
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Vergleich zwischen der erzeugten Wärmeleistung eines Feuertornados
bei einer Drehzahl Ω=23 Upm und der laminaren Verbrennung bei
Ω=0 Upm:
Q
'
Q
( Ω = 23Upm)
'
( Ω = 0Upm)
=
ρ ⋅ r(
Ω = 23Upm)
⋅ H
ρ ⋅ r(
Ω = 0Upm)
⋅ H
u
u
≈
9kW
3.6kW
= 2.5
5.3 Ausblick
Wie schon erwähnt, wurden bei den Messreihen nur die Drehzahl Ω des
Gitterkäfigs variiert.
Zu Untersuchen wäre, wie der Feuertornado auf Veränderung von anderen
Einflussparametern reagiert, wie z.B. des Bennstoffbeckendurchmesser
D, der Maschenweite der Drahtgitters oder des Gitterabstands d.
Intuitiv zu erwarten ist, dass sich der Feuertornado stabiler verhält, wenn
der Gitterabstand d grösser gewählt wäre und sich somit die Turbulenz
über eine längere Strecke zur Flamme vollständig ausbilden könnte. Den
gleichen Effekt würde wahrscheinlich eintreffen, wenn bei vorgegebenem
Gitterabstand d die Maschenweite des Drahtgitter kleiner gewählt würde
und sich somit eine kleinskaligere Turbulenz um die Flamme einstellen
könnte.
Ebenfalls ist anzunehmen, dass die erzeugte Wärmeleistung des Tornados
ansteigt, falls der Durchmesser des Brennstoffbeckens D vergrössert
wird, da die Verbrennungsrate r gesteigert wird mit der Vergrösserung
der Brennstoffoberfläche.
Wie aber verhält sich die erzeugte Wärmeleistung Q’
Q’ ~ D oder Q’ ~ D 2
Zur Verbesserung der Versuchsanlage könnte eine geregelte Brennstoffzufuhr
eingebaut werden mit einer Massenstrom Anzeige beim Zufuhrventil,
was zur folge hätte, dass die Verbrennungsraten r bzw. Wärmeleistungen
Q’ genauer gemessen werden könnten.
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6. Verzeichnisse
6.1 Literaturverzeichnis
[1] Howard W. Emmons and Shuh-Jing Ying 1967 Proc. 11 th Int. Symp. on Combustion
(Pittsburgh, PA: Combustion Institute)
[2] S. Soma and K. Saito 1991 Combust. Flame
[3] K. Satoh and K.T. Yang 1996 ASME Heat Trans. Div.
[4] Werte genommen aus H. Pucher 2003: VL Grundlagen der Verbrennungskraftmaschinen
(Fachgebiet: Verbrennungskraftmaschinen)
6.2 Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Struktur des Feuertornados. 4
Abb. 2: Schematische Darstellung einer laminaren Diffusionsflamme über
einem Brennstoffbecken. 5
Abb. 3: Schematische Darstellung einer turbulenten Diffusionsflamme über
einem Brennstoffbecken. 6
Abb. 4: Versuchsaufbau von Emmons und Ying. 9
Abb. 5: Aufbau der Versuchsanlage zur Erzeugung eines Feuertornados. 12
Abb. 6: Drehscheibe zur Erzeugung der aufgezwungenen Zirkulation. 14
Abb. 7: Schnittstelle zwischen Gitterkäfig und Drehscheibe. 15
Abb. 8: Sicherung gegen Kippen der Anlage. 16
Abb. 9: Gestell für den Unterbau der Versuchsanlage. 17
Abb. 10: Hauptstützen und Stützdreiecke zur Aufnahme der Gewichtskraft
des Oberbaus. 18
Abb. 11: Bockrollen zur Standortverschiebung der Anlage. 19
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Abb. 12: Aufsätze zur Halterung der seitlichen Leiträder. 20
Abb. 13: Anordnung der Auflage- und Leiträder. 21
Abb. 14: Elektromotor zum Antrieb eines der drei Auflageräder. 21
Abb. 15: Nichtangetriebenes Auflagerad. 22
Abb. 16: Gitterkäfig zur Erzeugung der Zirkulation um die Flamme. 23
Abb. 17: mittlerer Stützring. 24
Abb. 18: oberer Stützring. 24
Abb. 19: Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt der Tornado Entstehung
tumschlag und der Drehzahl Ω des Gitterkäfigs. 29
Abb. 20: Zusammenhang zwischen Flammenhöhe hfl. und der Drehzahl Ω
des Gitterkäfigs. 30
Abb. 21: Zusammenhang zwischen der Verbrennungsrate r und der
Drehzahl Ω des Gitterkäfigs. 31
Abb. 22: Zeitpunkt der Tornadoentstehung tumschlag in Funktion
der Drehzahl Ω. 35
Abb. 23: Flammenhöhe hfl. in Funktion der Drehzahl Ω. 35
Abb. 24: Verbrennungsrate r in Funktion der Drehzahl Ω. 36
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7. Anhang
7.1 Dimensionsbehaftete Plots
Abb. 22: Zeitpunkt der Tornadoentstehung t umschlag in Funktion der
Drehzahl Ω.
Zeitpunkt t umschlag [s]
120
100
80
60
40
20
0
Messreihe 1
Messreihe 2
Messreihe 3
0 10 20 30 40 50 60
Drehzahl Ω [Upm]
Abb. 23: Flammenhöhe h fl in Funktion der Drehzahl Ω.
250
Flammenhöhe h fl [cm]
200
150
100
50
0
Messreihe 1
Messreihe 2
Messreihe 3
0 10 20 30 40 50 60
Drehzahl Ω [Upm]
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Abb. 24: Verbrennungsrate r in Funktion der Drehzahl Ω.
30
Verbrennungsrate r [ml/min]
25
20
15
10
5
0
Messreihe 1
Messreihe 2
Messreihe 3
0 10 20 30 40 50 60
Drehzahl Ω [Upm]
7.2 CAD Zeichnungen
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