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Institut für Raumfahrtantriebe 1DIV 1 200
5-10
-05-Kna
pp et al.ppt
DLR WorkshopDIV 1 “Diagnostik in Verbrennungen”Göttingen, 5. bis 6. Oktober 2005
Untersuchungen zur Wechselwirkung von Akustik und Verbrennung an einer LOX/H2-ModellbrennkammerBernhard Knapp, Silke Anders, Michael Oschwald
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)Institut für Raumfahrtantriebe
74239 Hardthausen
Institut für Raumfahrtantriebe 2DIV 1 200
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pp et al.ppt
Motivation und Ziel
Motivation
HF-Verbrennungsinstabilitätsprobleme bei fast allen Entwicklungsprogrammen in USA, Japan, Russland, Europa
bis heute keine befriedigendes Verständnis der der grundlegenden Wechselwirkungen von Akustik und BK-Prozessen (Zerstäubung, Verdampfung, Verbrennung...)
Ziel
Verstehen der physikalischen Prozesse und Kopplungsmechanismen bei Verbrennungsinstabilitäten in Raketentriebwerken mit flüssigen Treibstoffen
Entwicklung von physikalischen Modellen und „Vorhersage-Tools“
Konstruktive Maßnahmen zur Stabilitätsverbesserung (Baffles, Cavities, ...)
Institut für Raumfahrtantriebe 3DIV 1 200
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-05-Kna
pp et al.ppt
Mechanismus fMechanismus füür akustische Verbrennungsinstabilitr akustische Verbrennungsinstabilitäätenten
Druckschwankungen p‘ Schwankungen in der Wärmefreisetzung q‘∫∫∫ ∫ >′′
π2
0
0dVdtqp
Rayleigh Kriterium
Einfluss einer akustischen Welleakustischen Welleauf den Verbrennungsprozess
??????
BrennkammerprozesseBrennkammerprozesse• Einspritzung• Zerstäubung• Verdampfung• Mischung• Verbrennung
p’q’
wenn ϕ = 0Phasenbeziehung Druck Wärmefreisetzung
Resonanz
momentane Einspritzrate •lokale Verdampfungsrate •chemische Reaktionsrate •
akustischerDruck
• Zerstäubung• Verdampfung• Mischung
akustischeGeschwindigkeit
Institut für Raumfahrtantriebe 4DIV 1 200
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pp et al.ppt
VersuchsaufbauVersuchsaufbau0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
Freq
uenz (H
z)
Zeit (s)
500 Hz/s
dynamischerDruck
Photomultiplier
Zünder
OH + Spray
Spülmodul
dynamischer + statischer Druck
Koaxialinjektormit dynamischen
Domdrucksensoren
SekundärdüseSekundärdüse
Blindmodul
Fenster
T-Sensor
Hauptdüse
α
GH2LOXGH2
Institut für Raumfahrtantriebe 5DIV 1 200
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pp et al.ppt
Optische DiagnostikOptische Diagnostik
2 Hochgeschwindigkeitskameras
Spray• Photron Ultima 1024 C • 16000 Bilder/s• Auflösung 256x32 pixel
OH-Flammenemission
• Photron Ultima I2• Interferenzfilter 307 nm• 27000 Bilder/s• Auflösung 128x64 pixel
Photomultiplier (OH-Flammenemission), (35 kHz)
Videokamera (50 Hz)
Richtleuchte
LinseLinse
Fenster
LinseBlende
Bren
nkam
merUltima 1024
Spraykamera
UV-Kamera
Interferenzfilter = 307 λ nm
Ultima I2
α
Sensor 10
Photomultiplier
OH-Kamera
Sekundärdüse (SN)
070605
03
02
15
09
04
1114
1016
13 12
08
Institut für Raumfahrtantriebe 6DIV 1 200
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pp et al.ppt
AuswertungAuswertung
Antwort der Brennkammer auf eine Störung (Anregung)
Druckschwingungen (dyn. Drucksensoren 35 kHz)• Druckspektrum (Druckschwankung p‘=Δp/PC)• gleitende FFT-Analyse• Spektrogramm
Wärmefreisetzungsschwingungen (HS-Videos 27 kHz)• Grauwerte (Intensitätsschwankung q‘=ΔI/I)• FFT-Analyse• Spektrogramm
Orientierung der Moden
Responsefaktor N=q‘/p‘
2 3 4 5 6 7 8 9 10-0,4-0,3-0,2-0,10,00,10,20,3
Versuch 04_08_20_03Sensor CCPD05DM
Zeit (s)
dyn. Druck (b
ar)
Freq
uenz (H
z)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Institut für Raumfahrtantriebe 7DIV 1 200
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pp et al.ppt
Einfluss von CavitiesEinfluss von CavitiesUnterschied ohne / mit Cavity
ohne Cavity: keine ausgezeichnete Orientierung
mit Cavity: "Aufspaltung" der 1T Mode
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,01000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Länge der Cavity (Sekundärdüse)
Freq
uenz im Heißv
ersuch (H
z)
Längen-/ Durchmesserverältnis Lcavity / R
CRC
3Tσ
2Tπ
1R
2Tσ1Tπ
1Tσ Freq
uenz im Kaltversuch (H
z)
5 6 7 8 9 10
Sensor 05
(s) mit Sekundärdüse
05_06_27_08
5 6 7 8 90
100020003000400050006000700080009000
10000110001200013000
Zeitohne Sekundärdüse
05_06_29_01
Freq
uenz (H
z)
1Tσ 1Tπ 2Tσ 2Tπ
1T 2T
Photomultiplier
OH + Spray
Sekundärdüse
Fenster
1T1Tσ2Tσ
Institut für Raumfahrtantriebe 8DIV 1 200
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pp et al.ppt
Kaltversuche (1)Kaltversuche (1)
1,620 1,621 1,622 1,623 1,624 1,625 1,626 1,627 1,628 1,629 1,63-0,25
-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Gradient 100 Hz/s
Sensor 05 Sensor 09 Sensor 11 Sensor 16
dyna
mischer Druck (b
ar)
Zeit (s)
Versuch Stickstoff 03_11_05_02
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0 5 10 15 20 25 30 35 40-0,4
-0,2
0,0
0,2
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
6T
1L2R5T4T3T1R
2Tσ
Sensor 05
1Tσ
-0,4
-0,2
0,0
0,2
Sensor 09
Sensor 11
Rampe 100Hz/s
Sensor 16
Druck (b
ar)
Zeit (s)
Stickstoff 03_11_05_02a
PD11
PD05
PD09
PD16
070605
03
02
15
12
14
04
08
10
13
Knotenlinie
α/2α
Orientierung der ModenBeispiel
1Tσ Mode
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Kaltversuche (2)Kaltversuche (2)
Resonanzprofile (hochaufgelöst)
T und R Mode sind gut anzuregen
Lorentz Profil
Profile stark strukturiert durch
• zusätzliche Resonanzkörper (Bohrungen, Vertiefungen, Spalte, …??)
Halbwertsbreite Γ als Maß für Dämpfung
gleiche Profile in Heißtests 950 1000 1050 1100 1150 1200
0,0
5,0x10-12
1,0x10-11
1,5x10-11
2,0x10-11
2,5x10-11
3,0x10-11
3,5x10-11
930 940 950 960 970 980 990 1000
2Tσ
Rampe 50 Hz/s
Power (a
.u.)
Frequenz (Hz)
Kaltversuch 05_04_05_22
1Tσ
1Tσ
1Tσ Mode mit Lorentz Fit
Institut für Raumfahrtantriebe 10DIV 1 200
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Heißversuche
2 3 4 5 6 7 8 9 10-0,4-0,3-0,2-0,10,00,10,20,3
Versuch 04_08_20_03Sensor CCPD05DM
Zeit (s)
dyn. Druck (b
ar)
Freq
uenz (H
z)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1Tσ2Tσ
1R
0 10 20 30 40 50 600,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
Druckamplitudenbei 1T Resonanz
Amplitu
de Δ
p C (a.u.)
Anregungsdauer (ms)
Graph
2 / K
alt Ra
mpe A
mplitu
de.O
PJ
Brennkammerdruck p
C = 5,3 bar
pC = 1,5 bar
pC = 1,3 bar
pC = 1,1 bar
3500 4000 4500 5000 55000,0
5,0x10-13
1,0x10-12
1,5x10-12
2,0x10-12
2,5x10-12
3,0x10-12
3,5x10-12
4,0x10-12
2Tσ Amplitu
de (a
.u.)
Frequenz (Hz)
Heißversuch 04_08_20_03
Sensor CCPD05DMFFT Fenster 3 ... 9 sSN pos. 12
1Tσ
Institut für Raumfahrtantriebe 11DIV 1 200
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pp et al.ppt
Messung der Wärmefreisetzung:OH-Flammenemission und externe AnregungAnregung 90° relativ zum Injektor Anregung 180° relativ zum Injektor
PD14
Druckknoten 1T
PD05
070605
03
02
15
09
04
1114
1016
13 12
08
Sekundärdüse
OHPhotomultiplier
Institut für Raumfahrtantriebe 12DIV 1 200
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pp et al.ppt
2D-Verteilung der Intensitätsschwankung
HS-Aufnahme
Dauer ca. 2 sec
Rampe regt 1Tσ und 1Tπ an
Hinweis auf Druckkopplung
σ auf Pos. 5 sehr hoch
π auf Pos. 1 und 9 hoch
π auf Pos. 5 so hoch wie 9
Geschwindigkeitsschwankung
bei 1Tσ und 1Tπ an diesen Orten niedrig!
3600 3700 3800 3900 4000 4100 42000,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
dI/I
Frequenz [Hz]
Position Mitte
3600 3700 3800 3900 4000 4100 42000,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
1TπdI/I
Frequenz [Hz]
Position 09
3600 3700 3800 3900 4000 4100 42000,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
1Tπ
dI/I
Frequenz [Hz]
Position 01
3600 3700 3800 3900 4000 4100 42000,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
1Tπ
1Tσ
dI/I
Frequenz [Hz]
Position 07
3600 3700 3800 3900 4000 4100 42000,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
1Tσ
dI/I
Frequenz [Hz]
Position 05
3600 3700 3800 3900 4000 4100 42000,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
dI/I
Frequenz [Hz]
Position 03
1Tσ
C
5
9
C
3
3
7
75
9
11
1Tσ 1Tπ
Institut für Raumfahrtantriebe 13DIV 1 200
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pp et al.ppt
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 102000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
13000
14000
15000
1Tσ 2Tσ
Zeit (s)
Sensor CCPHMPVersuch 05_07_04_10
Freq
uenz (H
z)
Amplitude
0,5000
1,046
2,187
4,573
9,564
20,00
Sensor 10
Photomultiplier
OH-Kamera
Sekundärdüse (SN)
070605
03
02
15
09
04
1114
1016
13 12
08
Unterstützung der OH-Analyse mit Photomultiplier
Punktmessung in zusätzlichem Fenster
Interferenzfilter (306 – 315 nm)
Antwort der Brennkammer
Rampe sichtbar
1Tσ und 2Tσ Mode sichtbar
Oberschwingung regt 3T Mode an
3T
Institut für Raumfahrtantriebe 14DIV 1 200
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pp et al.ppt
Vergleich Druck- und OH-Intensitätsschwankung
OH-Emission bei 1T Resonanz
gute Übereinstimmung der FFT-Druck-
und Intensitätsspektren, ϕ=0
Lage der Druckknotenlinie bekannt
I(t) schwache OH Amplitude
externe Anregung 90°
• Einspritzvorgang unterhalb der Druckknotenlinie
• → keine oder schwache Druckkopplung
• gleiche Frequenz von OH und pdyn
nicht verträglich mit Kopplung an Geschwindigkeitsfeld – da …
PD14
Druckknoten 1T
PD05
070605
03
02
15
09
04
1114
1016
13 12
08
Sekundärdüse
OHPhotomultiplier
5081,0 5081,5 5082,0 5082,5 5083,0 5083,5 5084,0 5084,5 5085,0-0,25
-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20 3 sec / 3kHz / Gradient 400 Hz/s / 5,4 kHz / 9 sec
Anregung 90° (Pos. 13) Sensor PD05 Sensor PD14 Photomultiplier OH-Kamera
OH In
tensitä
t (a.u.)
Druck (b
ar)
Zeit (ms)
Heißversuch 04_08_19_02
Institut für Raumfahrtantriebe 15DIV 1 200
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-05-Kna
pp et al.ppt
Druck- oder Geschwindigkeitskopplung?
90° Anregung → p vs v-Kopplung
Betrag der Geschwindigkeit |v| = 2ω
doppelte Frequenz bei der Geschwindigkeit
Antwort der Brennkammer: doppelte Frequenz von I‘ → nein
Druckfeld Geschwindigkeitsfeld
3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 95000,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
Amplitu
de (a
.u.)
Frequenz (Hz)
mittlere OH-Intensität (geglättet)
externe Anregung 90° relativ zu Injektor Heißversuch 04_08_19_02
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
Druck Geschwindigkeit v Betrag | v |
3/2ππ/20 2π
Betrag derGeschwindigkeit
Geschwindigkeit
Druck
π
Injektor
Fenster
Fenster
Injektor
? ?Knotenlinie
SprayTropfen
Spray
v´
v´
Fenster
Institut für Raumfahrtantriebe 16DIV 1 200
5-10
-05-Kna
pp et al.ppt
Lokale OH-Intensität
Hinweise auf Druckkopplung
180° Anregung zeigt hohe Intensitätsschwankung
90° Anregung zeigt geringe Amplituden
relative Intensitätsschwankung nimmt ab mit zunehmendem Injektorabstand
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
112,5°
135°
180°
Δ I / I
Abstand zum Injektor (mm)
04_08_12_07 pos. 09
04_08_12_03 pos. 09
04_08_11_04 pos. 09
04_08_20_02 pos. 11
04_08_19_04 pos. 11
04_08_20_03 pos. 12
04_08_10_02 pos. 13
04_08_11_01 pos. 13
04_08_19_02 pos. 13
90°
ΔI/I als Funktion des Injektorabstandsmit Variation der Anregungsposition
Injektor Fenster
Streifen
Flamme
Intensität
Flam
men
brei
te
90° 180°
Institut für Raumfahrtantriebe 17DIV 1 200
5-10
-05-Kna
pp et al.ppt
Verhältnis der relativen Intensitätsschwankung zur relativen Druckschwankung
k wegen unterschiedlicher Abtastraten von p‘ und I‘(FFT)
Hinweis auf Druckkopplung
Response Faktor N
ϕcos⋅Δ
Δ
⋅=
CRC
OH
OH
Pp
II
kN
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 160
1
2
3
4
5
6
7
8
3,8
5,4
5,74,8
4,7
4,2
4,7
4,2
4,3
10
09
13 1211
Position relativ zum Injektor:180° 90°135°
Respon
se Fak
tor N (-)
Position der Anregung über die Sekundärdüse
als Funktion von ROF
5,7
∫ ∫
∫ ∫
′
′⋅′
=
V
V
dVdttVp
dVdttVqtVpN π
π
2
0
2
2
0
)],([
),(),(
)sin()sin(
max
max
ϕωω+′=′
′=′
tqqtpp
ϕcosmax
max ⋅′′
⋅=pIkNAntwort auf eine Störung
ϕcosmax
max ⋅′′
=pqN
Institut für Raumfahrtantriebe 18DIV 1 200
5-10
-05-Kna
pp et al.ppt
Fehler durch Übersteuerung
Programm Gaincheck
8 Bit Informationsgrenze
Bilder im schwarzen Bereich zu hell und im weißen Bereich zu dunkel
Verfälschung von ΔI/I, da zu hohe Helligkeit → ΔI/I wird zu klein
Verbesserung
1. Gain verkleinern
2. Blende vergrößern
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 180,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0Anregung 90° rel. zu Injektor
dIzuI
ΔI /
I
Streifen
Heißversuch 05_06_28_10
Institut für Raumfahrtantriebe 19DIV 1 200
5-10
-05-Kna
pp et al.ppt
Störfrequenzen bei HS-OH-Videos
Überlagerung von Störfrequenz und Rampe
auch ohne Verbrennung sichtbar
Elektronisch bedingt (Bildverstärker)
mit zunehmendem Gain sinkt Störfrequenz
mit zunehmender Frame Rate steigt Störfrequenz
Störungen
Rampe
Institut für Raumfahrtantriebe 20DIV 1 200
5-10
-05-Kna
pp et al.ppt
ZusammenfassungZusammenfassung
Ergebnisse
Orientierung der Moden in Kalt- und Heißversuchen nach Position der stärksten Anregung
Rückschlüsse auf Wärmefreisetzung während Resonanz über OH-Eigenleuchten
klare Hinweise auf Kopplung der Wärmefreisetzung mit dem Druck• Anregung 90° relativ zu Injektor: ωFlamme ≠ 2 ωDruck (keine Geschwindigkeitskopplung)• lokale Intensitätsschwankung bei 180° Anregung in Injektornähe am höchsten• Responsefaktor bei 180° Anregung am größten
Verifikation der Ergebnisse durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit großem Fenster
(gesamter Brennkammerdurchmesser)