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This paper describes an experimental study on the propagation of premixed flames through a flow with well-defined turbulence characteristics. In this study, multi-plane OH planar laser-induced fluorescence (OH-PLIF) and stereoscopic particle image velocimetry (SPIV) were applied simultaneously at 10 kHz to measure the local three-dimensional displacement velocity of unstabilized, freely propagating flames passing through a premixed flow of methane and air. The dual-plane OH-PLIF data was used to track both reaction zone location and flame-normal orientation, while SPIV was used to track the three-component velocity field. The vectorial difference of the two produces a direct, time-resolved measurement of the local 3D displacement velocity of the flame. The use of unstabilized, freely propagating flames eliminates spatiotemporal dependence of local 3D displacement velocity associated with burner- or aerodynamically-stabilized test flames. Statistics of local 3D displacement velocities are presented. These show values ranging from slightly negative up to approximately eight times the laminar flame speed. Instantaneous flame-normal orientation with respect to the direction of local fluid velocity is identified as one parameter affecting instantaneous displacement velocities.

Die turbulente Flammenausbreitung in mageren Wasserstoff-Luft-Gemischen wurde für kleinskalige Geometrien numerisch simuliert. Als Basis der Simulation wurden Verbrennungsmodelle ausgewählt, die die Reaktionsrate basierend auf der turbulenten Durchmischung (BML-Modell) sowie auf einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF-Modell) bestimmen. Im Bereich niedriger bis mittlerer Turbulenzintensität ergab sich mit dem BML-Modell bei langsamen und schnellen Deflagrationen eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen. Das PDF-Modelle lieferte gute Ergebnisse bei langsamen Deflagrationen mit hoher Turbulenzintensität. Die Kopplung beider Modelle ergab ein erweitertes Berechnungsverfahren für langsame Deflagrationen. The propagation of turbulent flame in lean hydrogen-air-mixtures is numerically investigated. The simulation is based on combustion models which determine the reaction rate by means of the turbulent mixing rate approach (BML model) as well as the probability density function (PDF) methodology. A good agreement between simulation and measurements of slow and fast deflagrations is obtained in regions ranging from low to middle turbulence intensity levels using the BML model. The PDF model delivers good results in the case of slow deflagrations at high turbulence intensity levels. Coupling both models enables an improved simulation for slow deflagrations.

In einem Gasturbinen-Drallbrenner wurde der Flammenrückschlag bei atmosphärischer, vorgemischter Erdgasverbrennung untersucht. Optische und laseroptische Messmethoden dienten dazu, die instationäre Drallströmung, die Flammenstrukturen, das globale Flammenverhalten und die Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten zu erfassen. Damit war es möglich, einen drallbrenner-spezifischen Flammenrückschlagsmechanismus von hoher technischer Bedeutung, das verbrennungsinduzierte Wirbelaufplatzen, zu identifizieren und theoretisch zu beschreiben. Weiterhin wurde ein Einfluss der Reaktionskinetik durch lokale Löschvorgänge festgestellt. Mit einer vereinfachten Berechnungsmethode konnte die Abhängigkeit der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit vom Dichteverhältnis über die Flammenfront und von der Drallströmung im Brenner qualitativ und teils quantitativ modelliert werden. The flashback of fully premixed, atmospheric natural gas flames was investigated in a gas turbine swirl burner. The flashback characteristics, the flame structures, the unsteady swirling flow, and the flame propagation speed were measured by applying optical and laser optical measurement techniques. This enabled the identification and the theoretical description of a special, technically very important flashback mechanism in swirl burners: the Combustion Induced Vortex Breakdown (CIVB). Furthermore, the experimental results show that the local flame quenching can significantly influence the flashback behaviour. By means of a simplified calculation method, the flame propagation speed in the swirling flow and its dependence on the density ratio across the flame front was qualitatively and partially quantitatively modelled.

The influence of carbon particles on ignition and flame propagation in reactive gas/particle mixtures in a closed vessel was studied. This was done using the one-dimensional, non-stationary reactive Navier-Stokes equations for the gas phase and the reactive Euler equations for the particle phase, inculing a model for heat radiation. The local coordinate was discretized by a TVD flux splitting scheme, the temporal solution was done by the implicit solver DASSL. The investigations were conducted with hydrogen/oxygen and with methane/oxygen mixtures doped with carbon particles. They revealed a strong influence of carbon particle diameter, concentration, and reactivity on ignition delay and burned gas temperature. The influence of heat radiation on these properties was found to be not important for the geometries and mixtures studied. Der Einfluß von reaktiven Kohlenstoffpartikeln auf Zündung und Flammenausbreitung in reaktiven Gas/Partikel-Gemischen in einem geschlossenen Gefäß wurde untersucht. Dazu wurden die eindimensionalen, instationären Navier-Stokes-Gleichungen für die Gasphase und die entsprechenden Euler-Gleichungen für die Partikelphase einschließlich eines Wärmestrahlungsmodells verwendet. Die örtliche Integration erfolgte mit einem TVD-Fluß-Splitting-Verfahren, zur zeitlichen Lösung wurde der imlizite Löser DASSL eingesetzt. Die Untersuchungen wurden mit Wasserstoff/Sauerstoff- und Methan/Sauerstoff-Gemischen durchgeführt, die mit Kohlenstoffpartikeln versetzt waren, und zeigten einen starken Enfluß von Partikeldurchmesser, -konzentration und -reaktivität auf die Zündverzugszeit und die Temperatur der verbrannten Gase. Der Wärmestrahlungseinfluß erwies sich für die untersuchten Gemische und Geometrien als nicht bedeutend.