A gáz - és ill. Spontán meggyulladását befolyásoló tényezők kísérleti vizsgálata

KIT tudományos jelentések 7555 A gáz-halmazállapotú és folyékony üzemanyag-mentes fúvókák öngyulladását befolyásoló tényezők kísérleti vizsgálata Christian Pfeifer Karlsruhe Műszaki Intézet (KIT)

Christian Pfeifer Kísérleti vizsgálatok a gáz- és folyékony üzemanyag-mentes fúvókák spontán gyulladásának befolyásoló tényezőiről

Karlsruhe Műszaki Intézet TUDOMÁNYOS JELENTÉSEK 7555

Christian Pfeifer gáz-halmazállapotú és folyékony üzemanyag-mentes fúvókák spontán gyulladását befolyásoló tényezők kísérleti vizsgálata

Számú jelentés KIT-SR 7555 Értekezés, Karlsruhe Műszaki Intézet Gépészmérnöki Kar, 2010. szóbeli vizsga napja: 2010. április 22. Előadók: Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas osztály, Prof. Dr. rer. nat. habil. Ulrich Maas Impresszum Karlsruhe Műszaki Intézet (KIT) KIT Tudományos Kiadó Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe www.ksp.kit.edu KIT Baden-Württemberg Állami Egyetem és a Helmholtz Egyesület nemzeti kutatóközpontja Ez a kiadvány az interneten elérhető a következő címen: A Creative Commons licenc közzététele: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ KIT Scientific Publishing 2010 Igény szerinti nyomtatás ISSN 1869-9669 ISBN 978-3-86644-525-3

Tartalom 1. Bevezetés 1 1.1. A kutatás állapota. 2 1.2. Célmeghatározás. 4 1.3. A munka vázlata. 6 2. A cseppek elégetésének alapjai 7 2.1. Dimenzió nélküli paraméterek. 7 2.2. Elsődleges porlasztás. 9 2.3. Másodlagos porlasztás. 12 2.4. Cseppek kölcsönhatása. 15 2.5. Követési képesség. 17 2.6. Közepes átmérőjű. 19 2.7. Jellemző átmérő. 19 2.8. Csepp párolgás. 20 2.9. Cseppek égési módjai. 22 3. A kísérlet leírása 25 3.1. TROJA üzem. 25 3.2. Tisztító gázellátás. 26 3.3. Üzemanyag. 28 3.4. Befecskendező rendszer. 33 3.5. Keverés a gyújtókamrában. 33 3.6. A hőmérséklet meghatározása. 35 4. Méréstechnika 37 4.1. Átadott fény árnyék folyamata. 37 4.2. Tomográfiai lézer Doppler anemometria. 38 4.2.1. Lézeres Doppler anemometria. 38 4.2.2. A Radon-transzformáció alapvető jellemzői. 41 4.2.3. A tomográfiai rekonstrukció elve. 43 4.2.4. Hiba elemzés. 45 4.3. Módszer a cseppméret-eloszlás mérésére. 46 4.3.1. Mérési módszerek a cseppméretek meghatározásához. 46 4.3.2. A SizingMaster-Shadow-eljárás kísérleti beállítása. 47 4.3.3. A sziluett felvételek értékelése. 49 4.3.4. A cseppek sebességének meghatározása. 52 4.3.5. Hibaelemzés és javítás. 52 5. A gyulladás valószínűsége 57 5.1. A gyulladási keverék frakciójának valószínűsége. 57 vii

2.2 Elsődleges porlasztás 11 10 Ohnesorge-szám Oh 1 0,1 0,01 Rayleigh-bomlás 1. Szél okozta bomlás 2. Szél okozta bomlás Atomizáció 0,001 1 10 100 1000 10000 100000 Reynolds-szám Re 2.2 ábra: Ohnesorge-diagram: A bomlástípusok felosztása a Reynolds-tól Szám és a számtalan ellátási szám [92]. l g Re l Oh Rayleigh szél okozta porlasztás 2.3. ábra: Az aggodalom háromdimenziós hiánya diagram: A Reynolds-szám bomlási rezsimre gyakorolt hatása mellett a környezeti gáz és a folyadék sűrűségarányának függősége is látható [91].

2.3 Másodlagos porlasztás 13 E = d D, min d D, max (2.11) d D, max d D, min 2.5. Ábra: Csepp deformációja a külső erők támadása miatt. Ez a deformáció a csepp szétesésének kezdeti folyamatát írja le. Az aerodinamikai erők instabilitást okoznak a csepp felületén vagy az egész cseppben, ami végül a cseppek felbomlásához és kisebb cseppek kialakulásához vezet. A szétesési folyamatok mindaddig zajlanak, amíg a további szétesés következtében keletkező cseppek Weber-száma a kritikus érték alá nem csökken. A 2.6. Ábra a cseppek bomlásának típusait mutatja be a Weber Weber szám függvényében [84]. A felsorolt Weber-számok a viszkozitás enyhe hatására érvényesek, azaz Oh 10 - [50].

18 A cseppégés alapjai FFFWPA Súlyerő: FG = ρ P g 4 3 πr3 (2.15) P x felhajtóerő: FA = ρ F g 4 3 πr3 (2.16) FFG húzás: FW = ρ F 2 ẋ2 πr 2 c D (2.17) tehetetlenség: FP = ρ P 4 3 πr3 ẍ (2.18) 2.10. Ábra: A részecskére ható erők. olyan gömb számára, amelynek kinematikai viszkozitása a közegben x irányban áramlik a c körül = D = 24 Re = 12ν ẋr. (2.19) Az erőegyensúly F G = F A + F W + F P (2.20) és az Eq. 2.19 a gravitáció miatti gyorsulással g ẍ = (1 ρ F) g 9ρ F ν ẋ. (2.21) ρ P 2ρ P r2 Az egyenlet integrálása. A 2.21 és a nagy sűrűségarány feltételezése ρ P >> ρ F [10] adja meg azt a végsebességet, amelyet a részecske nagyon hosszú idő után feltételezett: ẋ = 2ρ P r 2 9ρ F ν (1 ρ F ρ P) g = τ r G. (2.22) Itt τ r a válaszidőt jelenti: τ r = 2ρ P r 2 9ρ F ν. (2.23) Az τ C áramlás jellegzetes idõskáláját az L jellemzõ hossz és az U áramlási sebesség hányadosa alkotja. 2.23 a Stokes-szám eredménye St = 2ρ P r 2 L 9ρ F νu (2.24)

4.2 Tomográfiai lézer-Doppler anemometria 41 4.3. Ábra: Az LDA elrendezés sematikus ábrázolása a visszaszórási módszerben, a d = 2 mm átmérőjű injektáló cső keresztmetszetével 1 m = 4,4 mm-es Bragg-cellahosszabbítással. Ennek eredményeként nem lehet helyileg hozzárendelni a mérési térfogat cseppjeit. Annak érdekében, hogy továbbra is nagy térbeli felbontást kapjunk, a mérési térfogat felett integrálisan rögzített sebességeket tomográfiailag rekonstruáljuk az inverz Radon transzformáció segítségével [39]. 4.4. Ábra: Az LDA mérőfej helyzete a kamrán. A keresztirányú mozgás a mérőfejet az injekciós cső kimenete alatt merőleges a szabad sugár tengelyére. 4.2.2. A Radon-transzformáció alapvető jellemzői A következőkben a Radon-transzformációval kapcsolatos releváns összefüggéseket ismertetjük [114]. Legyen f (x, y) kétdimenziós objektum az (x, y) pozíciótérben. Az θ szöggel (x, y) képest elforgatott koordinátarendszer t és s koordinátákkal rendelkezik. A q θ (t) párhuzamos vetületet s irányban a the szögben a

50 Méréstechnikai szabvány. Szürke érték 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 20 40 60 80 100 képpont Legmagasabb előfordulási intenzitás Globális határérték A legkisebb előfordulási intenzitás 4.8 ábra: Az objektum intenzitásának ábrázolása egy kép metszetében. A felső és az alsó határérték meghatározza a képen mért intenzitás tartományát. Kiértékelik azokat a területeket, amelyek meghaladják a globális határértéket. majd el kell dobni, ha meghaladják a globális határértéket. A globális határérték feletti területeket külön vizsgáljuk az értékelés következő lépésében. A harmadik lépésben minden objektum, amely meghaladja a globális határértéket, normává válik. Szürkeérték 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 A legkisebb előfordulási intenzitás 0 20 40 60 80 100 pixel Minimális szürkeérték A legnagyobb előfordulási intenzitás Globális határérték 4.9. Ábra: Keresztmetszet egy képen csepp nélkül A globális küszöböt meghaladó, de a minimális szürkeérték alatt lévő területeket nem értékelik. Ez megakadályozza a csepp nélküli felvételek kiértékelését.

4.3 A cseppméret-eloszlás mérési eljárása 51 Norm. Szürkeérték 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 l BoundingBox 0 20 40 60 80 100 pixel l AoI Legmagasabb előfordulási intenzitás Globális küszöbértékhatár A legkisebb előfordulási intenzitás Minimális küszöbérték 4.10. Ábra: A globális határérték meghatározza az értékelt objektum területét . A határoló mező egy összeggel megnövekszik, így képezi az érdeklődési területet (AoI). egy téglalapot (határoló dobozt) fektetnek le, amelynek élhossza l határoló doboz. A határoló doboz széle az objektum kerületének azon pontján található, ahol az objektum szürke értéke metszi a globális határértéket (4.10. Ábra). Ekkor az objektum normává válik. Szürke érték 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 d O, min d O, max 30 40 50 60 70 80 pixel Maximális határérték = 100% Felső határérték = 50% Alsó határérték = 30% Minimális határérték = 0% 4.11. Ábra.: Az AoI-ban lévő objektum információinak egyedi értékelése. Az objektum legmagasabb és legkisebb szürkeértéke közötti különbséghez képest egy felső és egy alsó határértéket határozunk meg. A kapott átmérő a d O, min és d O, max átlagértéke, amely a határértékek és az objektum szürkeérték görbéjének metszéséből adódik.

4.3 A cseppméret-eloszlás mérési eljárása 55 5 mm-es lépésekben haladjunk 35 mm-rel. A referenciapontba való visszatérést közbenső lépés nélkül hajtottuk végre. Ez 0,26 mm eltérést eredményezett. Ez teljes függőleges irányú eltéréshez 0,37% vezet.

5.9 Az öngyújtás kísérleti vizsgálata 75 5.18. Ábra: Nagy sebességű árnyékkép szekvenciája. A referenciaidő itt a beáramlás kezdete, és meghatározza a t = 0ms időt. A gyújtás t = 3 ms-nál történik (p inj = 70 bar, p K = 40 bar, T inj = 620 K, T K = 720 K).

5.9 Az öngyulladás kísérleti vizsgálata 77 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 8,0 ms 9,0 ms 10,2 ms 10,8 ms 10,8 ms 11,1 ms 11,4 ms 11,7 ms 12,3 ms 13,0 ms 14,0 ms 0 5 10 15 x/d 5.19. Ábra: A formaldehid fázisátlagos fejlődése reaktív üzemanyaggáz-mentes sugár (p inj = 70bar, p K = 20bar, T inj = 500 K, TK = 720 K). Az intenzitást a maximális előfordulási intenzitásra normalizáljuk t = 11,4 ms-nál.

84 Folyékony üzemanyag befecskendezésének vizsgálata 30 28 26 v ax [m/s] 24 22 20 18 16 14 1 0,5 0 y [mm] -0,5-1 -1-0,5 0 x [mm] 0,5 1 6.7. Ábra: Rekonstruált Sebesség mező (p K = 20 bar, p inj = 70 bar). A kék pontok a térbeli felbontás szerint rekonstruált sebességértéket képviselnek. Ez annak tulajdonítható, hogy a destabilizáló erők kisebbek a permet közepén, mint a cső áramlásának peremterületén. A gáznemű szabad sugár vizsgálata azt mutatja, hogy egy teljesen kialakult turbulens cső áramlási profil mérhető röviddel a beáramlás megkezdése után [41]. Ez azt jelenti, hogy a 30 70-> 20 70-> 30 70-> 40 tengelysebesség [m/s] 25 20 15 10 5-1 -0,5 0 0,5 1 sugár [mm] 6.8. Ábra: Rekonstruált sebességprofilok p K hőmérsékleten = 20bar, 30bar és 40bar p inj = 70bar.

6.2 A permetezés jellemző mennyiségeinek mérése 89 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 y/d 6.12. Ábra: Objektumok szegmentálása a globális határérték felett. Az injekciós cső alsó pereme szintén ebben a lépésben azonosítható az intenzitás gradiens alapján. 0 x/d 0,25 0,5 0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 év/nap 6.13. Ábra: Az egyes objektumok külön elemzésének eredménye. A dobási sebességet minden egyes validált cseppnél meg kell jegyezni, feltéve, hogy a második kettős képen megfelelő csepp található.

6.2 A permet jellegzetes méreteinek mérése 97 0,2 x/d = 0 0,2 x/d = 5 0,15 0,15 PDF 0,1 PDF 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm ] (a) x/d = 0,19 ms (b) x/d = 5,18 ms 0,2 x/d = 10 0,2 x/d = 15 0,15 0,15 PDF 0,1 PDF 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] (c) x/d = 10, 18 ms (d) x/d = 15, 21 ms 6.20. Ábra: A permetezési tengely cseppméret-eloszlásának kiválasztott hisztogramjai (y/d = 0) p K = 20 bar-nál és p inj = 60 bar különböző időpontokban. A cseppméret-osztályokat az előfordulásuk valószínűségének függvényében ábrázoljuk.

6.2 A permetezés jellemző méretének mérése 99 0,3 x/d = 0 0,3 x/d = 5 0,25 0,25 0,2 0,2 PDF 0,15 PDF 0,15 0,1 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] (a) x/d = 0, 20 ms (b) x/d = 5, 19 ms 0,3 x/d = 10 0,3 x/d = 15 0,25 0,25 0,2 0,2 PDF 0,15 PDF 0,15 0,1 0,1 0,05 0,05 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] 0 0 50 100 150 200 250 300 D [µm] (c) x/d = 10, 17 ms (d) x/d = 15, 18 ms 6.22. Ábra.: A szórásméret-eloszlás kiválasztott hisztogramjai a permetezési tengelyen (y/d = 0) p K = 20 bar és p inj = 80 bar értékeken. A cseppméret osztályokat az előfordulásuk valószínűségének függvényében ábrázoljuk.

100 Folyékony üzemanyag befecskendezésének vizsgálata 3 2 50 m 3 2 50 m 1 1 y/d 0 y/d 0-1 -1-2 t = 24 ms p Inj = 60 bar -2 t = 20 ms p Inj = 80 bar -3 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 x/d -3 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 x/d 6.23. ábra: Az átlagos cseppátmérő térbeli felbontású eloszlása p inj = 60 és 80 bar esetén p K = 20 bar injektálási nyomás esetén p inj = 80bar értéktől az SMD-t ábrázolja a 6.25. Itt az SMD időbeli alakulása nem kerül rá a spray mérési helyeire, mint például p inj = 60bar esetén. Ez azt jelenti, hogy a cseppek átmérője csökken, amikor a befecskendező cső kimenetétől növekszik a távolság. Ennek oka a nagyobb esési sebesség. 200 180 160 140 x/d = 0 x/d = 5 x/d = 10 x/d = 15 SMD [µm] 120 100 80 60 40 20 0 15 20 25 30 35 Az injekció kezdete utáni idő [ms] 6.24. Ábra: A térben feloldott SMD p inj = 60 bar és p K = 20 bar nyomáson a szórási tengely négy pontján.

6.2 A permet jellemző méreteinek mérése 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 250 0,35 Cseppméret [μm] Cseppméret [μm] 250 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Sebesség [m/s] (c) x/d = 10, y/d = 0, t = 19 ms 0 Cseppméret [μm] Cseppméret [μm] 0,25 0 0 150 0,2 100 0,15 0,1 0,05 20 40 Sebesség [m/s] 250 0,3 50 0,25 0 (b) x/d = 5, y/d = 0,5 1, t = 19 ms 0,35 200 0,3 200 0 0 (a) x/d = 5, y/d = 0, t = 19 ms 250 0,35 50 0,05 20 40 Sebesség [m/s] 103 0,35 0,3 200 0,25 150 0,2 100 0,15 0,1 50 0 0 0,05 20 40 Sebesség [m/s] 0 (d) x/d = 10, y/d = 0,5 1, t = 19 ms 6.27. Ábra: Kiválasztott kötött valószínűségi sűrűségfüggvények a cseppméret-eloszlás és a cseppsebesség-eloszlás pinj = 60 bar és pk = 20 bar értékeken.