Particle Image Velocimetry zur Bestimmung der laminaren Brenngeschwindigkeit
Die laminare Brenngeschwindigkeit ist eine der wichtigsten grundlegenden Eigenschaften eines brennbaren Gemischs in Bezug auf seine Reaktivität, Diffusionsfähigkeit und Exothermie. Sie ist definiert als die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer stetigen, laminaren, eindimensionalen, ebenen, dehnungsfreien und adiabatischen Flamme relativ zum unverbrannten Gemisch. Die genaue Kenntnis der laminaren Brenngeschwindigkeit ist für die Validierung kinetischer Mechanismen unerlässlich. Sie dient auch als wichtiger Skalierungsparameter in Modellen der turbulenten vorgemischten Verbrennung.
Die sich kugelförmig ausdehnende Flammenkonfiguration ist die etablierteste und am weitesten verbreitete Technik zur Ableitung von Brenngeschwindigkeiten bei hohem Druck und hoher Temperatur, nahe an motorrelevanten Bedingungen. Für die Verfolgung der Flammenfront während ihrer Ausbreitung stehen verschiedene optische Diagnosemethoden zur Verfügung, z. B. Schlieren, Shadowgraphie oder Lasertomographie. Das momentane Geschwindigkeitsfeld innerhalb des unverbrannten Gemischs kann mit der klassischen 2D-2C Particle Imaging Velocimetry (PIV) geschätzt werden. Bei diesem Ansatz entfallen alle Annahmen in Bezug auf das verbrannte Gas. Daher bietet er eine direktere Ableitung der Brenngeschwindigkeit. In der Realität beeinflusst die Strahlung die Flammenausbreitung, und die Annahme eines Gleichgewichts im verbrannten Gas ist fragwürdig, da die Dichte zeitlich und räumlich variiert. Auf der Grundlage der aufgenommenen Bilder wurde eine spezielle Nachbearbeitungsroutine entwickelt, um das Geschwindigkeitsfeld im unverbrannten Gemisch zu messen.
Beschreibung des Aufbaus
Der ITV-Aufbau besteht aus einem kugelförmigen Gefäß mit einem Innenradius von 59,9 mm. Vier optisch zugängliche Saphirkristallfenster befinden sich an gegenüberliegenden Seiten (zwei zylindrische mit einem Radius von 25 mm und zwei rechteckige mit einer Höhe von 45 mm und einer Breite von 10 mm). Die Gasgemische, die in dieser Versuchsvorrichtung verbrannt werden können, werden mit Massenflussreglern (MFC) gesteuert. Die Kammer wird kontinuierlich mit dem Brennstoff/Oxidationsmittel-Gemisch bei einer bestimmten Temperatur, einem bestimmten Druck und einer bestimmten Zusammensetzung gespeist. Die Ein- und Auslassventile der Kammer werden gleichzeitig geschlossen, sobald der gewünschte Druck erreicht ist. Vor der Zündung lässt man das Gemisch 5 Minuten lang ruhen. Anschließend wird das brennbare Gemisch in der Mitte der Kammer mit einem Funkenzündsystem gezündet, das Energien bis zu 7 J liefern kann. Um Zündstörungen in der sich ausbreitenden Flamme zu vermeiden, wird eine Mindestzündenergie angewendet.
Die Position der Flammenfront und die Geschwindigkeitsfelder werden gleichzeitig mittels Mie-Streuungslasertomographie gemessen. Die Strömung wird mit Silikonöltröpfchen (Rhodorsil) geimpft, die über einen Zerstäuber zugeführt werden. Als Lichtquelle dient ein Nd:YLF-Doppelresonatorlaser (Litron LDY303HE), der bis zu 35,1 W bei 527 nm liefern kann. Das von den Tröpfchen gestreute Licht wird von einer Hochgeschwindigkeitskamera (LaVision HighSpeedStar 6) erfasst, die mit einer Erfassungsrate von 5.000 Hz arbeitet. Die Kameravergrößerung beträgt mehr als 20 px/mm. Die räumliche Position der Flamme liegt nahe an der Stelle, an der die Tropfen verdampfen. Im vorliegenden Fall liegt die Verdampfungstemperatur der Tröpfchen bei 580 K.
Eine weitere Besonderheit dieser Kammer ist, dass die Zündung in der Mitte des Gefäßes durch eine Laserzündung ausgelöst werden kann. Es kann ein Lambda Physik EMG150 MSC Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm oder ein Spectra Physics GCR-150 mit Wellenlängen von 355 und 532 nm verwendet werden. Der Laserpuls wird mit einer sphärischen Linse in der Mitte des Gefäßes fokussiert und dient als Punktzündquelle.
Ein Absorberrohr ermöglicht die Neutralisierung schädlicher Verbrennungsnebenprodukte, wie z. B. Flusssäure, die bei der Bewertung der Brandsicherheit fluorierter Kältemittel mit niedrigem Erderwärmungspotenzial entsteht.