Einsatz diagnostischer Verfahren zur Untersuchung von Verbrennungsprozessen am Institut für Raumfahrtantriebe, Lampoldshausen

Transkript

1 Einsatz diagnostischer Verfahren zur Untersuchung von Verbrennungsprozessen am, Lampoldshausen M. Oschwald DIV 1 Göttingen,

2 Untersuchungsgegenstand Brennkammerphänomene Treibstoffinjektion (LOX/GH 2 bzw. LOX/HC) Mischung Verbrennung Düsenexpansion Wärmeübergang Brennkammerbedingungen Temperaturen: Fluide: 40 K K Struktur: 40 K K Drücke: statisch: 1 kpa - 10 MPa (sub- und überkritisch) dynamisch: bis zu 10 KHz Geschwindigkeiten: Strömungen: 1 m/s - 1 km/s Flammenfronten: bis 300m/s

3 Messgrößen: Anforderungen an Messtechnik: Stoff- und Phasenverteilungen H 2, H 2 O, CH 4, OH,... Lage von Reaktionszonen Flammenstabilisierung transiente Flammenausbreitung Fluid- und Strukturtemperaturen reaktive Strömung BK-Wand Strömungsgeschwindigkeiten Gasphase Tropfen dynamische Drücke turbulente Strömung Mittelwerte und Schwankungsgrößen hohe Zeitauflösung transiente Phänomene hohe Datenerfassungsrate Prüfstandseinsatz ferngesteuerter Einsatz transportable Systeme robuste Apparaturen

4 Düsenströmung Schattenaufnahmen Schlierenaufnahmen Strömungsablösung in überexpandierter Strömung Strömungstopologie line-of-sight Bestimmung von Brechungsindexgradienten Dichtegradienten Stoffgradienten Visualisierung Mischungsprozesse Verteilung flüssiger Phasen Treibstoffinjektion LN2/He koaxiale Injektion unterkritisch überkritisch

5 CARS-Thermometrie Dye-Laserentwicklung angepasste spektrale Bandbreiten für H 2 -, H 2 O- und CH 4 -CARS spektroskopische Grundlagen H 2 -Linienverbreiterung durch H 2 O Modellierung von H 2 O- und CH 4 -Spektren Thermometrie und Dichtebestimmung gepulster Hochdruck-Brenner (10MPa, 2800K) kontinuierlicher Hochdruckbrenner (4MPa) Adaption für Prüfstandseinsatz (P8, MASCOTTE, Industrie) Fernsteuerung transportable Anlage robuster Aufbau simultaner Nachweis von H 2 und H 2 O Broadening coefficients / cm -3 /amagat 10 J - dependence of the Q line broadening by H 9 2 O in pulse combustor T=2700K Q lines J - number

6 Raman-Streuung Strahlzerfall überkritischer Jets LN 2 -Freistrahl, LN 2 /GH 2 -Koxial-Injektion Erfahrung beim Einsatz der Meßtechnik in Hochdruckanwendungen (6MPa) r [mm] x [mm] density [kg/m 3 ] Rayleigh-Streuung Stoffverteilung H 2 -Injektion in Scramjets GO 2 /GH 2 -Injektion Rayleigh intensity [a.u.] average z=32-34 mm average z=22-24 mm average z=12-14 mm r [mm]

7 Hochgeschwindigkeits-Visualisierung Treibstoffinjektion vor der Zündung CCD: 1kHz, 512x512px 2 1,1 1,0 0,9 90% gray value ratio normalized gray value ratio 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 TS53 OG1 central injector injector ring 1 injector ring 2 injector ring 3 injector ring 4 injector ring 5 injector ring 6 50% gray value ratio -0, t VPM [ms]

8 Hochgeschwindigkeits- Visualisierung Flammenausbreitung während der Zündtransienten ICCD: 18KHz, 128 x 256 px 2 Bildverarbeitung flame kernel flame front position [mm] z U z D z D = t v D =388.8 m/s z U = t v U = m/s time after ignition [ms] v c =58.5m/s v f =330.3m/s

9 Strukturtemperatur LH 2 cooling channel TE 1 TE 2 TE 3 TE 4 TE 5 Meßgenauigkeit LHe-Anlage zu Kalibrierung von Thermoelementen im Tieftemperaturbereich Montage-Technologie heat flux q qualifizierte Montage Positionsbestimmung Auswertung detaillierte Analyse des WÜ im Sensor Entwicklung und Anwendung inverser Methoden F= 3.3N Thermoelement Führung Feder Hülse Thermische Isolierung

10 Akustische Charakterisierung von Brennräumen Bestimmung der Eigenfrequenzen Bestimmung der Dämpfung T parent mode T 2T 1R 3T 1R1T 4T Γ/ω γ CRC intenisty [db] Tσ 2Tσ L/R T parent mode Γ/ω γ CRC -10 V frequency [Hz] L/R