Experimentelle Untersuchung und numerische Berechnung einer laminaren rotationssymmetrischen Wasserstoff-Sauerstoff-Diffusionsflamme
Tóm tắt
This paper shows first some results of experimental studies made on a vertically oriented steady state axisymmetric laminar hydrogen-oxygen-diffusion flame. All experiments were at 1 atm pressure. Hydrogen exhausted with a mass flow rate of 0.019kg/h from the inner tube of the burner and an annular stream of oxygen with a mass flow rate of 5.76kg/h was delivered by the outer nozzle. A laser doppler anemometer working in the crossbeam mode was used to measure velocity profiles. In order to determine the variation of the concentrations of the stable chemical compounds H2, O2 and H2O gas samples were withdrawn from the flame and analysed with a mass spectrometer. The distributions of the temperature and the OH-concentration were obtained by spectroscopic measurements. These measurements were made with different lines of the band head of the 0-0 vibrational transition of the2Σ-2Π electronic system. Additional measurements were made with the Na-D1-line at 5896 Å. Temperature measurements below 2000K were carried out with thermocouples. To predict the detailed flow field of the flame a mathematical model was developed which describes the flame flow to be a shear flow in chemical nonequilibrium. This mathematical model consists of a coupled system of nonlinear parabolic partial differential equations. An implicit finite difference approximation was used to solve this equation system. The numerical predictions were compared with the experimental results. b]de|Zusammenfassung Es werden die in einer laminaren rotationssymmetrischen Wasserstoff-Sauerstoff-Diffusionsflamme gemessenen Verteilungen der Geschwindigkeit, der Temperatur und der Konzentrationen der chemischen Komponenten H2, O2, OH und H2O gezeigt. Die untersuchte Flamme brannte bei Atmosphärendruck auf einem vertikal angeordneten Brenner, der einen inneren Wasserstoffstrom von
$$\dot m_{H_2 } $$
=0,019kg/h und einen dazu konzentrischen äußeren Sauerstoffstrom von
$$\dot m_{o_2 } $$
=5,76kg/h lieferte. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgte mit einem Laser-Doppler-Anemometer in Kreuzstrahlanordnung. Die Konzentrationen der stabilen chemischen Komponenten H2, O2 und H2O wurden durch Gasprobenabsaugung mit einer wassergekühlten Mikrosonde und anschließende Analyse in einem Massenspektrometer bestimmt. Mit Hilfe direkter spektroskopischer Messungen auf verschiedenen Rotationslinien der 0-0-Vibrationsbande des2Σ-2Π-Systems von OH im UV-Bereich konnten die Temperaturverteilung und die Konzentrationsverteilung der chemischen Komponente OH ermittelt werden. Zusätzliche spektroskopische Temperaturmessungen wurden auf der Na-D1-Linie bei 5896 Å durchgeführt. Temperaturmessungen unterhalb 2000K erfolgten mit Thermoelementen. Zur Vorausberechnung der Flammenfelder wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das die Flammenströmung als schichtförmige Scherströmung im chemischen Nichtgleichgewicht beschreibt. Zur numerischen Lösung des zu diesem Flammenmodell gehörenden Systems nichtlinearer parabolischer partieller Differentialgleichungen wurde ein implizites Differenzenverfahren benutzt. Die berechneten Felder wurden mit den experimentellen Resultaten verglichen.
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