Die Bedeutung der Vortex-Mischung und ihrer Dynamik in SCRJ-Motoren für die Verbrennungseffizienz

Die Rolle von Vortexstrukturen in der Verbrennungstechnik, insbesondere in Supersonic Combustion Ramjet (SCRJ)-Motoren, ist entscheidend für die Optimierung der Brennstoff-Luft-Mischung und die Verbesserung der Verbrennungseffizienz. Vortexe wirken als Katalysatoren für das Mischen von Kraftstoff und Luft, indem sie die Strömung so beeinflussen, dass die turbulente Mischung auf einer Skala erzeugt wird, die deutlich unterhalb der Brennstoffdüsendurchmesser liegt. Bei SCRJ-Motoren, deren Einzelmodule eine Spannweite von etwa einem Fuß haben, beträgt diese Skala ungefähr 1 cm, mit einem Brennstoffdüsendurchmesser, der etwa halb so groß ist.

Die Dynamik dieser Vortexe führt zu einer sogenannten „entrainment“-Effekt, wobei der Brennstoff in bereits turbulente Strukturen aufgerissen wird, deren Dimensionen etwa 1 cm oder weniger betragen. Bei Überschallgeschwindigkeiten (Mc ~2–3) kann angenommen werden, dass inkompressible Beziehungen bis zu diesen Machzahlen noch gültig sind, was für die Berechnung der Kaskadenzeit zur Erreichung der Dissoziationsskala hilfreich ist. Die Kaskadenzeit, also der Zeitraum, den die turbulente Energie benötigt, um auf die Dissipationsskala zu gelangen, kann in einem klassischen Modell als Funktion des Wellenzahlwerts (k) beschrieben werden.

Im Rahmen experimenteller Untersuchungen von Swithenbank et al. (1989) wurde festgestellt, dass für eine optimale Mischung der Abstand zwischen den Brennstoffdüsen weniger als zwei bis vier Durchmesser betragen sollte. Diese Anordnung führt zu einer schnellen Vermischung des Brennstoffs mit der Luft, was in der Praxis eine Brennzeit im Bereich von Mikrosekunden zur Folge hat. Der Nutzen dieser Mixertechniken wird durch die Wechselwirkung von Vortexen und der sogenannten Lamb-Vektoren erklärt, die als Kräfte wirken, die den Brennstoff in die Strömung hineinziehen. Der Lamb-Vektor ist nonnull, da die Vortex-Rotation eine Abweichung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der Vorticity erzeugt.

Die Vorticity, die die turbulente Struktur antreibt, wird durch die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit der Strömung verursacht. Im Fall eines Überschallströmung mit einem Machwert von etwa 3 und einer Temperatur von 1500 K lässt sich eine geschätzte Tangentialgeschwindigkeit von etwa 20 m/s annehmen. Diese Strömung beeinflusst die Dicke der Strut (ca. 1 cm) und erzeugt eine Vorticity von etwa 2000 Hz, was die Grundlage für die turbulente Mischung bildet. Diese turbulente Energie erzeugt eine lokale Lamb-Vektorintensität, die als Maß für die Mischungseffizienz dient.

Ein wichtiger Aspekt bei der Gestaltung dieser „Hypermischer“ ist der Druckabfall, der durch die Vortex-Bildung und die damit verbundenen Schockwellen verursacht wird. Der Druckabfall ist im Wesentlichen auf Reibung und schwache schräg stehende Schocks zurückzuführen, die an den Vorderkanten der Struts entstehen. Wenn gerade Rampen durch ansteigende Rampen ersetzt werden, um die Bildung der Vorticity zu verstärken, entstehen zusätzliche Druckverluste durch die Rekompresionsschocks. Es ist jedoch bemerkenswert, dass der Druckabfall durch die Vortex-Bildung relativ gering bleibt, was durch die geringe Tangentialgeschwindigkeit der Strömung erklärt werden kann.

Für eine vollständige und effiziente Mischung müssen bestimmte kritische Bedingungen erfüllt sein, einschließlich des Verhältnisses von Zirkulation zu kinematischer Viskosität. Ein höheres Verhältnis bedeutet eine bessere Mischung, die in einer Entfernung von etwa 10 Brennstoffdüsendurchmessern erreicht wird. Bei den geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen kommt es in dieser Zone auch zur Zündung des Gemisches, was zeigt, dass dieser Mischertyp eine wirksame Stabilisierung des Flammenhalters darstellt. Es hat sich auch gezeigt, dass die Struthitze durch die Steuerung des Verankerungsabstands kontrolliert werden kann, was den praktischen Nutzen dieser Technologie unterstreicht.

Ein bedeutender Nachteil dieser Vortex-Injektionsstrategie liegt jedoch in der unvermeidlichen Auflösung der Vortexstrukturen über größere Distanzen, was die Mischrate reduziert und in manchen Fällen eine vollständige Verbrennung verhindert, insbesondere wenn das Äquivalenzverhältnis (E.R.) größer als etwa 0,4 bis 0,5 ist. Dies bedeutet, dass eine vollständige Verbrennung nur dann erreicht werden kann, wenn die Vortexstruktur bis zum Ende der Brennkammer stabil bleibt und der Brennstoff-Luft-Mix auf der gesamten Strecke optimal bleibt.

Zusätzlich wird die Notwendigkeit hervorgehoben, die Rotationskomponenten der Strömung bei der Planung von Hypermischern zu berücksichtigen, da diese die Mischungsgeschwindigkeit und letztlich auch die Stabilität der Flamme beeinflussen. Es ist entscheidend, den Einfluss von Schocks auf die Flammenstabilität und deren Moden zu verstehen, um die genaue Funktionsweise von Hypermixern und deren Auswirkungen auf die Verbrennungsdynamik richtig einzuschätzen. Der Übergang von Überschall- zu Unterschall-Flammenmoden, der durch die Reflexion von Schocks ausgelöst wird, erfordert präzise Messungen und Modelle, um das optimale Design für eine effiziente Verbrennung zu gewährleisten.

Wie wird Flammenhaltung in Überschallverbrennungssystemen realisiert und welche Herausforderungen sind dabei zu beachten?

Der Fortschritt bei der Erreichung einer statistisch stabilen Überschallverbrennung zeigt deutlich, wie entscheidend die kurzen Zeitintervalle für den ungleichmäßigen Betrieb von SCRJ (Supersonic Combustion Ramjet) sind. Druckschwankungen werden meist als negativ angesehen, da sie thermische Ermüdung und Vibrationen verursachen können. Gleichzeitig können sie jedoch die Verbrennung verbessern – vergleichbar mit bestimmten Arten von Hausöfen, bei denen solche Oszillationen eine positive Rolle spielen. Im Allgemeinen liegt bei Lufttemperaturen unter 1000 K die chemische Reaktionsgeschwindigkeit für das Mischen von kaltem gasförmigem Wasserstoff (GH2) etwa auf dem gleichen oder einem langsameren Niveau als die Konvektion, was potenzielle Flammenauslöschungen begünstigt. Oberhalb von 1200 K hingegen beschleunigen sich die Reaktionskinetiken, und Zündung sowie Flammenhaltung werden maßgeblich von der Art der turbulenten Durchmischung bestimmt.

Die Flammenhaltung in Gasturbinen beruht auf der erzwungenen Rezirkulation heißer Verbrennungsprodukte in der Hauptbrennkammer, welche durch die Formgebung der Brennkammergeometrie und die Sekundärluftregelung ermöglicht wird. Diese Rezirkulation ermöglicht es, teilweise vermischte Reaktanten vorzuwärmen und gewährleistet eine ausreichende Verweilzeit, damit turbulente Strukturen die Reaktanten im feinen Maßstab mischen können. Bei der Überschallverbrennung wird ein ähnliches Prinzip verfolgt: Durch die Erzeugung eines Unterschall-Rezirkulationsgebiets, beispielsweise hinter einem rückwärtsgerichteten Stufenabsatz oder durch einen Kraftstoffstrahl, können selbst „langsame“ Reaktionskinetiken Energie und Radikale in den Hauptstrom injizieren. Diese Bereiche fungieren als Pilotflammen, die Zündung und Stabilisierung der Flamme ermöglichen.

Die Situation wird komplexer, wenn ein ausgedehntes Rezirkulationsgebiet gezielt geschaffen wird, um den Großteil des Kraftstoffs zu vermischen und zu verbrennen, wie dies bei Kavitäten-Flammenhaltern der Fall ist. Eine vollständige Vormischung von Luft und Kraftstoff beschleunigt zwar die Zündung, birgt aber bei hohen Mach-Zahlen das Risiko der Frühzündung, da bereits während der Vermischung die hohen Temperaturen zu vorzeitiger Entzündung führen können. Um diesem Problem zu begegnen, wurde das Konzept des „Radikalfarmings“ entwickelt. Dabei wird Kraftstoff direkt in die kältere Luft vor dem Einlass eingespritzt, wodurch die Zündung erst im Inneren der Brennkammer erfolgt, nachdem sich die Mischung gebildet hat. Dies führt zu einer zusätzlichen Kompression des Luftstroms und funktioniert nur in einem engen Bereich der Luftgeschwindigkeiten.

Eine Variante ist das Einspritzen von Kraftstoff unmittelbar vor dem Brennkammer-Einlass, wo Druck und Temperatur hoch genug sind, um Kraftstoff teilweise in Radikale zu zerlegen, die die Zündung und Verbrennung fördern. Besonders im Übergang vom Ramjet- zum SCRJ-Betrieb bei dualen Triebwerken können Radikale wie OH, CH3 oder elektris