Flammenstruktur

Flammenstruktur bezeichnet die räumliche Organisation einer Flamme, einschließlich der Flammenfront, ihrer Dicke und der Unterzonen Preheatzone, Reaktionszone und Produktzone. Sie hängt stark von Brennstoffart, Mischungsverhältnis, Druck und Strömung ab und unterscheidet sich je nach laminaren oder turbulenten Bedingungen.

In voranmischt gemischten Flammen ist die Flammenfront die dominante Struktureinheit. Die Reaktionszone enthält die Hauptreaktionen, während die Preheatzone die Mischung erwärmt. Die Fronten-Dicke liegt typischerweise im Submillimeterbereich; Turbulenz verknotet oder kräuselt die Front und erzeugt zellulare Strukturen.

In Diffusionsflammen entstehen Front und Reaktionszone durch Diffusion von Oxidizer und Brennstoff. Typisch sind separate Brennstoff- und Oxidatorströme, deren Mischung erst in der Brennzone entflammt. Die Flammenstruktur wird durch Strömung, Diffusion und Reaktionskinetik bestimmt.

Diagnostik und Visualisierung erfolgen durch Schlieren- oder Schattenverfahren, Lichtemission (Chemilumineszenz), planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF) und Infrared-Thermografie. Diese Methoden liefern Informationen über Frontposition, Dicke, Temperaturverteilungen und Sauerstoff- oder Radikalverteilungen.

Faktoren wie Druck, Temperatur, Äquivalenzverhältnis, Turbulenzstärke, Dehnungsraten und Wärmeverluste beeinflussen die Flammenstruktur. Höhere Turbulenz vergrößert die Frontfläche, kann lokale Auslöschung verursachen und Reignition ermöglichen.

Anwendungen finden sich in der Verbrennungsforschung und -technik, etwa bei der Modellierung turbulenter Flammen (Flamelet-Theorie, G-Gleichung) und der Optimierung von Mischungen und Emissionen. Ein gutes Verständnis der Flammenstruktur ist entscheidend für Effizienz und Emissionskontrolle.