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Beskrivelse
Die technische Realisierung des schadstoffarmen Verbrennungskonzepts der mageren Vormischverbrennung ist unter anderem bisher nicht erfolgt, weil fur das Problem des Flammenruckschlags keine systematische, grundlagenorientierte Untersuchung unter technisch relevanten Bedingungen existiert. Die vorliegende Arbeit liefert im Rahmen eines umfangreichen und systematisch angelegten Programms den Grundstein zu einem vollstandigen Verstandnis des Flammenruckschlags bei der mageren Vormischverbrennung flussiger Brennstoffe. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine einzigartige, atmospharische Versuchseinrichtung entwickelt. Durch die funktionale Trennung der Teilaspekte in der Vormischverbrennung flussiger Brennstoffe ermoglicht der experimentelle Aufbau die unabhangige und gezielte Variation der Stromungsparameter am Ubergang der Vormischzone zur Brennkammer. Es konnen homogen vorgemischte laminare und turbulente Stromungen erzeugt werden, sowohl verdrallt als auch unverdrallt. Als Brennstoffe eignen sich Reinstoffe, z.B. langkettige Alkane, in gleicher Weise wie kommerzielle Flussigbrennstoffe. Diese beispiellosen Moglichkeiten bilden die Grundlage zur Bestimmung der laminaren Flammengeschwindigkeit und der Mechanismen beim Flammenruckschlag in unverdrallter Stromung. Die in der Arbeit vorgestellte, systematische Vorgehensweise erfordert die Messung der Flammengeschwindigkeit der verwendeten flussigen Brennstoffe, da fur diese keine Angaben zur Flammengeschwindigkeit bei hohen Temperaturen existieren. Zu diesem Zweck wird eine neuartiges Verfahren zur Ermittlung der Flammengeschwindigkeit entwickelt und eingesetzt, mit dem eine Erweiterung der Datenbasis auf Gemischtemperaturen bis 873 K moglich wird. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die laminare Flammenausbreitung parallel zur Wand in Rohren mit technisch relevantem Durchmesser berechnet. Eine Schlusselposition in der vorliegenden Arbeit nimmt die Analyse des lokalen, normierten Warmestroms ein. In dieser Weise wurde des Flammenruckschlag bisher noch nicht analysiert. Diese Analyse fuhrt auf eine beschreibende Grosse die fur magere Gemische langkettiger Kohlenwasserstoffe unabhangig von der Lewis-Zahl ist. Im Gegensatz zur allgemein verwendeten Peclet-Zahl ist diese Grosse unabhangig vom Aquivalenzverhaltnis und dem Geschwindigkeitsprofil der laminaren Stromung. Erst diese Analyse ermoglicht die Ubertragung auf den Fall des senkrechten Auftreffens einer Flammenfront als Grenzfall des Flammenruckschlags bei der mageren Vormischverbrennung. Mit dieser Modellvorstellung ist die Angabe einer neuen, kritischen Peclet-Zahl moglich unterhalb derer kein Flammenruckschlag moglich ist. In Analogie zum laminaren Flammenruckschlag kann auf Basis dieser Modellvorstellung auch zum ersten Mal ein unterer Wert der kritischen Peclet-Zahl angegeben werden, unterhalb dessen eine turbulente Flammenausbreitung parallel zur Wand nicht moglich ist. Da eine Simulation des turbulenten Flammenruckschlags durch den Bereich der Wandgrenzschicht derzeit noch nicht moglich ist, wurden fur diesen Fall erstmals quantitative Untersuchungen zur wandparallelen Flammenausbreitung in turbulenter Stromung durchgefuhrt. Unterschiedlich turbulente Stromung mit einem Turbulenzgrad in der Hauptstromung von bis zu 18 Prozent wurden experimentell realisiert. In diesem Versuchsaufbau wurde die untere Grenze der kritischen Peclet-Zahl erstmals experimentell fur den Fall einer ungestorten turbulente Rohrstromung nachgewiesen. Im allgemeinen Fall einer ausgebildeten turbulenten Rohrstromung wird der Flammenruckschlag immer durch den wandnahen Bereich der Stromung erfolgen. Anhand theoretischer Uberlegungen zur Flammenausbreitung in einer ausgebildeten turbulenten Rohrstromung wird in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass die Flammenausbreitung immer durch den Bereich y+ 12 erfolgen muss. Weiterhin wird dargestellt, dass fur y+ 12 und einer kritischen Peclet-Zahl von Pe 3 kein ausgezeichneter Wandabstand fur die Flammenausbreitung existiert. In diesem Fall ist somit kein definierter Loschabstand mehr vorhanden. Dieser Effekt gewinnt mit steigender Temperatur bzw. abnehmender Prandtl-Zahl an Bedeutung.