Measurement of a swirling pipe and combustion chamber flow by means of multi-component Laser Doppler Velocimetry

Drallbehaftete Strömungen spielen sowohl in der Technik als auch in der Natur eine wichtige Rolle. Es handelt sich hierbei um rotationssymmetrische Strömungen mit einer von Null verschiedenen Umfangsgeschwindigkeit. Angewendet werden sie zum Beispiel in Turbinen, Hochöfen, Benzin- und Dieselmotoren etc.. Durch das Hinzufügen von Drall bei Strahlströmungen wird der Strahl aufgeweitet und verstärkt Umgebungsluft in den Strahl eingebracht. Ab einer bestimmten Stärke des Dralls sind die induzierten Druckgradienten groß genug, um das Fluid auf der Symmetrieachse zum Zurückströmen zu zwingen. Es entsteht die sogenannte zentrale toroidale Rückströmzone, die bei der Stabilisierung von Brennerflammen eine wichtige Rolle spielt, da sie für eine Rezirkulation der Verbrennungsprodukte sorgt und eine Zone entstehen läßt, in der Strömungs- und Flammengeschwindigkeit eine ähnliche Größe besitzen. Eine komplette Beschreibung der Strömung durch Theorie und Numerik ist aufgrund der Komplexität der Strömung noch nicht gelungen. In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einer geometrisch stark vereinfachten Dralldüse mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) durchgeführt. Mit dieser berührungslos arbeitenden Meßtechnik ist es möglich, das Strömungsfeld mit einer sowohl zeitlich als auch räumlich sehr hohen Auflösung zu erfassen. Es ist gelungen, aus den Schwankungsgrößen den rein periodischen Anteil, der durch den präzessierenden Wirbelkern verursacht wird, von dem nicht-periodischen, ''rein turbulenten'' Anteil zu trennen. Mittels Zweipunktkorrelationsmessungen wurde das integrale Längenmaß an unterschiedlichen Positionen in der Düsenscherschicht bestimmt.Swirl flows, i.e. axisymmetric jet flows with a non zero circumferential velocity, are important in technology as well as in nature. Swirl flows occur in a wide range of applications like gas turbines, industrial furnaces, gasoline and diesel engines etc. The general effects of introducing swirl on jet flows are to cause an increase in width and rate of entrainment. If the strength of swirl is greater than a certain critical value, the forces due to the induced pressure gradients exceed the forward kinetic forces. The flow reverses its direction on the axis of symmetry and the central toroidal recirculation zone is generated. It plays an important role in flame stabilisation by providing a hot flow of recirculated combustion products and a reduced velocity region where flow velocity and flame speed can be matched. Neither a complete theoretical description nor a numerical prediction of swirl flows has been found due to the complex structure of swirl flows. In this work investigation on a swirl generator, which was geometrically strongly simplified, are conducted by means of Laser-Doppler-Velocimetry (LDV). This non-intrusive measurement technique enables a high spatial and temporal resolution of the velocity field. It was possible to separate the periodic fluctuations due to the precessing vortex core from the non-periodic ''pure-turbulent'' part. The integral length scale was determined at different positions in the shear layer of the nozzle by two point correlation measurement