Eine Flamme bleibt nicht von selbst an ihrem Platz. Die Flammenfront stellt sich dort ein, wo ihre eigene Ausbreitungsgeschwindigkeit die Anströmgeschwindigkeit des Gemisches ausgleicht. Ist das Gemisch zu schnell, reißt die Flamme ab; ist es zu langsam, schlägt sie zurück.
In der Praxis stellt die Strömung selbst dieses Gleichgewicht her.
Die Rezirkulationszone
Hinter dem Flammenhalter (Drallschaufeln, ein Kegel, eine Stufe) bildet sich eine Rezirkulationszone niedriger Geschwindigkeit. Dort werden heiße Verbrennungsprodukte zurückgehalten, die das frische Gemisch fortwährend zünden. Das ist die Zündquelle, die die Flamme am Leben hält.
Um diese Zone kreisen die Auslegungsfragen: ihre Größe, die Verweilzeit in ihr, ihre Temperatur und ihre Kontaktfläche mit dem frischen Gemisch.
Die Drallzahl
Wird ein axialer Drall aufgeprägt, öffnet sich oberhalb einer Schwelle der Drallzahl ein Rezirkulationsgebiet auf der Achse — das Wirbelaufplatzen. Das ist der häufigste Mechanismus der Flammenhaltung in industriellen Brennern.
Unterhalb der Schwelle gibt es keine stabile Rezirkulation, und die Flamme ist dem Abreißen ausgesetzt. Weit darüber wird die Flamme zu kurz, legt sich an die Wand und erzeugt örtliche Überhitzung.
Schwierigkeiten der Modellierung
Drallströmung ist anisotrop. Isotrope Zweigleichungsmodelle treffen das Wirbelaufplatzen und die Größe der Rezirkulationszone nicht; ein Reynolds-Spannungsmodell ist deutlich realistischer [1]. Dieselbe Einschränkung gilt in Zyklonabscheidern.
Das Phänomen kann instationär sein. Das Gebiet des Wirbelaufplatzens schwingt; eine stationäre Lösung tut sich mit der Konvergenz schwer, und das ist meist ein Signal der Physik. Siehe die Notiz zur Konvergenz.
Verlöschen und Zündung sind chemisch. Ist die Stabilitätsgrenze die Frage, reicht ein mischungsbasiertes Verbrennungsmodell nicht aus. Siehe die Notiz zur Verbrennungsmodellierung.
Das Abnahmekriterium
Was man von der Analyse meist will, ist nicht die Frage, ob es eine Flamme gibt, sondern wie groß die Stabilitätsreserve ist: bei welchem Luftüberschuss und welcher Last das Abreißen einsetzt. Das findet man, indem man einen Bereich abfährt, nicht indem man einen einzigen Betriebspunkt rechnet.
Referenzen
- Launder, B. E., Reece, G. J. & Rodi, W. (1975). Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(3), 537–566.
- Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4