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Untersuchung des Gravitationseinflusses auf Flammen

K. Tittmann
Wasserstoffflamme

Video-Observation

Die nebenstehende Videosequenz zeigt eine Wasserstoffflamme, die unter normalen Gravitationsbedingungen gezündet und anschließend im frei fallenden Versuchsaufbau untersucht wurde. Der Beginn der Mikrogravitation (Schwerelosigkeit) wird durch die LED in der unteren, rechten Bildecke angezeigt und ist auch im Flammenverhalten unschwer zu erkennen.
Im Anfangsbereich ist deutlich ein instationäres Verhalten, das als Flammenflackern (engl. flickering) bezeichnet wird, zu erkennen, Dieses Verhalten wird durch Konvektionskräfte verursacht und ist für alle Diffusionsflammen unter Gravitation charakteristisch. Das Flackern tritt über einen großen Parameterbereich auf und hat eine typische Frequenz von f = 8-15 Hz. Diese Frequenz ist gegenüber den Strömungsparametern relativ unempfindlich, sie ändert sich jedoch stark mit den Konvektionkräften, d.h. mit dem "g-Level". Die Abhängigkeit läßt sich mit f = c gx (c-Konstante; 1/2 < x < 3/4) beschreiben. Bei den beobachteten Wasserstoffflammen im Bereich von 70 l/h - 240 l/h wurde visuell eine Frequenz von ca. 10 Hz festgestellt (Videofrequenz: 25 Hz).
Die Flamme kann in diesem Strömungsbereich durch minimale und maximale Zustände (bzw. Konturen) gekennzeichnet werden. Sie pulsiert dabei nicht als einheitliches Gebilde, geht also nicht stetig vom minimalen in den maximalen Zustand über, sondern verändert ihre Form irregulär durch Ablösung von Ballen, die als selbständige Flammenelemente weiterbrennen. Die Ablösung dieser Flammenballen wird durch auftriebsbedingte Wirbelstrukturen verursacht und ist in den nachfolgenden Abbildungen (Video- und Thermografiebild) zu erkennen.
Videobild IR-Thermografiebild
Nach Auslösen der Fallkapsel (LED in der rechten, unteren Bildecke) ändert sich das Flammenverhalten drastisch. Zu Beginn tritt eine starke Flammenverkürzung auf. Diese ist auf das Verschwinden der Konvektionskräfte zurückzuführen, so daß nur noch die Einströmgeschwindigkeit die ideale Kugelgestalt verhindert. Anschließend beginnt sich die Flammenoberfläche kontinuierlich zu vergrößern. Dabei nimmt die Wachstumsgeschwindigkeit jedoch ab. Da die Flammen nur im Bereich des Brennermundes angefärbt wurden, verschlechtert sich die Beobachtbarkeit mit zunehmendem Abstand vom Brenner. Nach ca. 2 s konnten Veränderungen der Flammenoberfläche kaum noch registriert werden. Experimente mit veränderter Anfärbung und Kameraeinstellung deuten jedoch vor allem auf eine Verringerung des Temperaturniveaus und damit eine verringerte Lichtemission hin, was durch die Temperaturmessungen bestätigt wurde.
Die wachsende Flammenoberfläche ist auf die Ansammlung von Verbrennungsprodukten in der Reaktionsfront zurückzuführen, die aufgrund der fehlenden Konvektion nicht mehr abtransportiert werden. Dadurch verbreitert sich das Reaktionsgebiet und eine Diffusionsbarriere bildet sich. Die Reaktionspartner (Brennstoff und Sauerstoff) diffundieren nicht mehr direkt ineinander, sondern von beiden Seiten in ein ausgedehntes Verbrennungsgebiet. Die verlängerten Diffusionswege bewirken eine Vergrößerung der Flammenoberfläche, wodurch die Temperatur bei gleichen Umsätzen sinkt.
Das unter normalen Gravitationsbedingungen beobachtete Flackern trat unter Mikrogravitation nicht auf, was unter Berücksichtigung obiger Gleichung und einem "g-Level" von ca. 10-5go erklärbar ist. Die Flackerfrequenz müßte demnach im Bereich von f = 0.03 Hz liegen und ist in 4.7 s Versuchszeit nicht zu beobachten. Untersuchungen zum Einfluß des Ausklinkzeitpunktes bei gravitationsgezündeten Flammen haben gezeigt, daß die sich aus dem Flackerverhalten ergebenden unterschiedlichen Anfangsbedingungen der Flammen schon nach sehr kurzer Zeit (t < 1 s) keinen Einfluß mehr auf die Flammenkontur haben. Diese Tatsache hat fundamentale Bedeutung für die Vergleichbarkeit der Messungen und damit für die Versuchsdurchführung.
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Flammenexperimente
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last mod 29 Mar 1999