DA032 - Lehrstuhl Verbrennungskraftmaschinen und Flugantriebe ...

5. Kriterien zur Auslegung des Drallapparates - 48 -
finden, da diese die notwendige Rückstellkraft für periodische Bewegungen bereitstellen. Es
bestehen häufig zeitabhängige und im Allgemeinen dreidimensionale kohärente Strukturen,
welche zu beträchtlichen lokalen Geschwindigkeitsschwankungen führen können und der
turbulenten Strömung überlagert sind. Dies führt dazu, dass beispielsweise in Drallflammen
Mischungsprozesse angetrieben werden.
Ein zu beobachtendes Phänomen ist die instabile Lage des Wirbelzentrums. Der Wirbelkern
führt dabei zweidimensionale Bewegungen um das geometrische Zentrum aus. Dies hat zur
Folge, dass an einem festen Ort in diesem Bereich hohe Fluktuationen auftreten. Da kleine
Unsymmetrien eine Bewegung des Wirbelkerns hervorrufen können, treten diese in
technischen Strömungen häufig auf.
Von besonderer Bedeutung ist, dass sich Drallströmungen plötzlich im Kern aufweiten und
eine zentrale Rückströmzone bilden. Dieses Phänomen wird Wirbelaufplatzen genannt. Eine
weitere Form der Instabilität wird durch umlaufende Wirbelkerne hervorgerufen.
5.6 Wirbelaufplatzen
Um Vermischungsvorgänge zu verstehen, erfordert es die Ausbildung der
Rezirkulationszone zu kennen. Das so genannte Wirbelaufplatzen dient der
Flammenstabilisierung in schadstoffarmen Brennern. Durch den auftretenden Drall entsteht
im Einlassrohr ein radialer Druckgradient.
Das Phänomen des Wirbelaufplatzens lässt sich als ein abrupter Übergang eines Wirbels in
eine andere Struktur beschreiben. In anderen Worten bedeutet dies, dass der „Vortex
Breakdown“ eine Störung in der Drallströmung ist, die sich durch die Ausbildung eines
Staupunktes und einer daraus resultierenden Rückströmzone mit einer begrenzten axialen
Länge charakterisiert.
Das Wirbelaufplatzen kann sich in seiner Erscheinungsform erheblich unterscheiden [30].
Für verschiedene Zirkulationszahlen gibt es drei beschreibende Typen des
Wirbelaufplatzens: das spiralförmige Wirbelaufplatzen, das doppelhelixförmige
Wirbelaufplatzen und blasenförmige Wirbelaufplatzen. Da für technische Drallbrenner
grundsätzlich hohe Reynoldszahlen in der Größenordnung von 50.000 – 100.000 typisch
sind [30], konzentrieren sich die Betrachtungen auf das spiralförmige und das blasenförmige
Aufplatzen.
Blasenförmiges Wirbelaufplatzen
Hohe Drallzahlen begünstigen ein blasenförmiges Aufplatzen. Dieses wird durch die
Ausbildung eines Staupunktes auf der Achse verbunden mit einer abrupten
Wirbelkernexpansion charakterisiert. Durch einen zunehmenden turbulenten Charakter der