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Untersuchung des Gravitationseinflusses auf FlammenK. Tittmann, L. Sitzki |
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Die Geschichte der Verbrennungsforschung reicht bis zu den Anfängen der Menschheit zurück. Die erstmalige Nutzung des Feuers vor mehreren hunderttausend Jahren war einer der wichtigsten Meilensteine in unserer Entwicklungsgeschichte. Die Hochachtung vor Verbrennungsprozessen ging bis zur Anbetung von Feuergöttern und zeigt, wie untrennbar die Menschen mit diesen Phänomenen verbunden sind.
Auch in unserer heutigen Gesellschaft ist die Anwendung von Verbrennungsvorgängen unverzichtbar und alltäglich. Das Verhältnis der Menschen zum Feuer ist jedoch nüchterner geworden. Die Nutzung der Verbrennung erstreckt sich von der Energiegewinnung in Großkraftwerken bis zu den dezentralen Heizanlagen der Wohnhäuser, von den Antrieben der Raketen, Flugzeuge und Schiffe bis zu unseren Autos. Diese vielfältigen Anwendungen haben letztlich das gemeinsame Ziel, chemisch gebundene Energie freizusetzen und zu einem möglichst großen Teil zu nutzen. Weltweite Forschung trägt dazu bei, die Resourcen zu schonen, d.h. die Effizienz der Verbrennungsprozesse zu verbessern und den Ausstoß von Schadstoffen zu reduzieren.
In letzter Zeit avanciert auch das Problem der Brandsicherheit zu einem wichtigen Problem in der modernen Verbrennungsphysik. Untersucht werden die Bedingungen, unter denen ein Feuer entsteht und sich ausbreitet. Um die Eigenheiten von speziellen Verbrennungsprozessen vorherzusagen bzw. um sie zu kontrollieren, ist es notwendig, das fundamentale Verständnis dieser Prozesse zu verbessern. Das trifft besonders auf den Bereich der Verbrennungen unter "low-level-gravity"-Bedingungen zu, wie sie in Raumschiffen und anderen Weltraumeinrichtungen vorkommen können.
Unsere Untersuchungen sollen einen Beitrag zur Verbesserung des grundlegenden Verständnisses der Verbrennungsprozesse in Gasflammen leisten. Zur Zeit ist es nicht möglich laminare Diffusionsflammen (z.B. Bunsenflamme ohne Luftzufuhr) vollständig zu berechnen. Eine wichtige Größe ist die Flammenkontur, die die Schicht mit dem größten Brennstoffumsatz repräsentiert. Es existieren einige Näherungsformeln, die sich aber bis zu 1000% von einander unterscheiden.
Wir betrachten dies als Zeichen dafür, daß die fundamentalen Prozesse in derartigen Flammen nur unzureichend verstanden sind. Aus diesem Grund streben wir eine instationäre vollnumerische Simulation der Vorgänge an, die sowohl mit kommerziellem Programmcode (PHOENICS) als auch mit Eigenentwicklungen durchgeführt werden soll.
Da die zu untersuchenden Prozesse außerordentlich komplex sind, gilt es die kritischen Parameter zu finden und entsprechend genau zu modellieren sind. Wir gehen davon aus, daß vor allem die Diffusionsprozesse die Flammenbildung prägen, da sie für die Vermischung von Brenngas und Verbrennungsluft verantwortlich sind und im Vergleich zu den chemischen Reaktionsprozessen nur sehr langsam ablaufen.
Zur Verifikation ist eine breite experimentelle Datenbasis zu schaffen, wobei vor allem der Einfluß der Diffusionsprozesse zu analysieren ist. Da im Laborversuch im Gravitationsfeld der Erde starke Konvektionskräfte (Auftrieb) auftreten, werden die Experimente unter Mikrogravitation (nahezu Schwerelosigkeit) durchgeführt. Dies ermöglicht die Diffusionsprozesse isoliert ohne störende Konvektion zu untersuchen. Außerdem dienen die Werte als Stützstellen für die erste Stufe des Computermodells, die die äußeren Kräfte noch vernachlässigt. Sind hier gute Übereinstimmungen erreicht, kann das Modell auf den komplizierteren Fall der konvektionsbeeinflußten Flamme erweitert werden.
Aufgrund relativ einfacher chemischer Prozesse, sind die bisherigen Untersuchungen mit Wasserstoff als Modellbrennstoff durchgeführt worden. Als Untersuchungsobjekt wurde eine nichtvorgemischte laminare Diffusionsflamme gewählt, die sowohl unter normalen Gravitationsbedingungen als auch unter Mikrogravitation analysiert wurde.
Die experimentellen Untersuchungen werden im Fallturm des "Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologien und Mikrogravitation" (ZARM) der Universität Bremen durchgeführt, da dort, aufgrund der Kompensation der Erdanziehung im freien Fall, Experimente unter Mikrogravitation für eine begrenzte Versuchszeit von 4.7 s realisiert werden können. Ähnliche Versuchseinrichtungen sind weltweit nur noch am NASA Lewis Research Center (NASA LeRC) in Cleveland / Ohio (USA) und am Japan Microgravity Center (JAMIC) zu finden.
lars.sitzki@vst.uni-magdeburg.de
webmaster-chemie@uni-magdeburg.de
Abteilung Technische Chemie