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Institut für Raumfahrtantriebe 1DIV 1 200

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-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


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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, ...)


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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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


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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)



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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


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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°


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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


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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



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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


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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)

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