Investigations of the turbulence-chemistry interaction in confined swirling natural gas/air diffusion flames

Verdrallte Flammen spielen in der industriellen Verbrennung aufgrund der effektiven Mischung von Brennstoff und Oxidator eine besondere Bedeutung. Allerdings beschreiben heutige Standard –Algorithmen die komplexen Vorgänge innerhalb verdrallter Flammen nur unzureichend für eine detaillierte Simulation und müssen weiterhin verbessert und durch experimentelle Ergebnisse validiert werden. Gegenstand dieser Arbeit ist die detaillierte und quantitative Charakterisierung praxis-relevanter Erdgas/Luft-Diffusionsflammen (150kW) mit laserspektroskopischen Messmethoden. Die gemessenen Datensätze dienen einerseits dem verbesserten Verständnis der komplexen physikalischen und chemischen Abläufe in verdrallten Flammen und andererseits als Datenbasis für die Validierung von Verbrennungsmodellen. Untersuchungen mit planarer Laser-induzierter Fluoreszenz an OH und an NO, welches dem Erdgas als Brennstoffindikator hinzugefügt wurde, lieferten zusammen mit Chemilumineszenz-Aufnahmen wichtige Informationen über die Strukturen der Reaktionszonen, der Mischung und des allgemeinen Flammenverhaltens, die für die spätere Interpretation der Verbrennungsvorgänge von großer Bedeutung sind. Der Hauptteil der experimentellen Untersuchungen bestand aus Einzelpulsmessungen der spontanen Raman-Streuung, mit denen korrelierte Ergebnisse über die Temperatur, Konzentrationen der Hauptspezies und dem daraus abgeleiteten Mischungsbruch gewonnen werden konnten. Es wurden an drei Flammenkonfigurationen unterschiedlicher Drallzahl die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDFs) der Temperatur, des Mischungsbruches und der Speziesverteilung gemessen, aus denen neben den Mittelwerten und Fluktuationen auch Korrelationen zwischen den Messgrößen abgeleitet werden konnten. Diese Ergebnisse lieferten einen genauen Aufschluss über die Struktur und den thermochemischen Zustand der Flamme und deckten Effekte auf, die durch Mischprozesse, Chemie-Turbulenz-Wechselwirkung und Wärmeverluste hervorgerufen wurden.Swirling flows allow a fast and efficient mixing of fuel and oxidizer and are, thus, often applied in practical combustion systems. On the other hand, a number of problems arise in the numerical simulation of these flames and the improvement of Computional Fluid Dynamics codes is a challenge in modern combustion research. The main goal of this work has been a qualitative and quantitative experimental characterisation of confined swirling natural gas/air diffusion flames (150kW) using different laser techniques in order to generate a database for the validation of CFD codes and for a better understanding of swirl stabilized flames. In order to visualize the structure of the flames, qualitative two-dimensional laser-induced fluorescence was used. The single-pulse 2D LIF images of OH show strong corrugations of the different zones in the flames. The fuel distribution and fuel/air mixing were investigated by 2D LIF of NO, which was seeded to the natural gas. The main part of the investigation concerned quantitative single-pulse laser measurements of spontaneous Raman scattering to determine simultaneously the temperature, the mixture fraction, and the main species concentrations. The results consist of the joint probability density functions (PDFs) of the measured quantities. The spatial distributions of the mean values and rms fluctuations reflect the flame behaviour in the different zones. A deeper insight into the turbulence-chemistry interaction and the thermochemical state of the flames was gained from the correlations between various quantities. The scatterplots of temperature versus mixture fraction revealed, for instance, the coexistence of unreacted fuel and oxidizer, even for stoichiometric mixtures. Furthermore, the temperature reduction due to radiation, flame stretch, and wall contact could be quantified from these correlations