Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die gegenseitige Beeinflussung von Flamme und Kühlluft in einem effusionsgekühlten Eindüsensektor-Brennkammerprüfstand unter erhöhtem Druck untersucht. Obwohl Effusionskühlung in den vergangenen Jahrzehnten hinsichtlich Wandwärmeübergängen und totaler Filmkühleffektivität intensiv untersucht wurde, sind fundamentelle Aspekte der Interaktionsmechanismen der Kühlluft mit der reagierenden Hauptströmung noch weitgehend unverstanden.

Typischerweise werden experimentelle Untersuchungen bei reduzierter Komplexität im Vergleich zu realen Anlagen durchgeführt. Entweder wird eine Effusionskühlplatte stromab einer Heißgasquelle platziert, was eine gute experimentelle Zugänglichkeit und eine hohe Reproduzierbarkeit der Randbedingungen erwirkt. Interaktionsmechanismen zwischen Kühlluft und reagierender Hauptströmungen können in diesen Konfigurationen konzeptbedingt nicht untersucht werden. Alternative Ansätze reduzieren die Komplexität auf messtechnischer Seite, z.B. indem Abgasuntersuchungen an realitätsnahen Anlagen durchgeführt werden. Bei diesen Ansätzen sind Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Mechanismen nicht möglich, da Messungen weder räumlich noch zeitlich aufgelöst innerhalb der Brennkammer erfolgen. In dieser Arbeit wird eine Effusionskühlplatte als Wandsegment in einem generischen Verbrennungsprüfstand eingesetzt, welcher sich durch eine Drall-stabilisierte turbulente Flamme bei erhöhter Einlasstemperatur und erhöhtem Druck auszeichnet. Hierduch werden Einflüsse durch instationäre Wärmefreisetzung, Konvektion und Strahlung sowie chemische Reaktionen vollständig abgebildet.

Quantitative und semi-quantitative Laser-basierte Messtechniken mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung werden eingesetzt, um eine Sensitivität der zu untersuchenden Flamme-Kühlluft Interaktion hinsichtlich wichtiger Randbedingungen zu identifizieren, die das Strömungs- und Temperaturfeld sowie die Kühlung an sich betreffen. Mischungsprozesse zwischen der reagierenden Hauptströmung und der Effusionskühlluft werden mit Hilfe einer Kombination aus quantitativer Laser induzierter Fluoreszenz des Hydroxyl Radikals (OH) und Stickstoffmonoxid, mit welchem die Kühlluft dotiert wird, untersucht. Die erhobenen Daten lassen Rückschlüsse darauf zu, wie häufig eine Mischung der Stoffströme vor, während oder nach dem chemischen Umsatz des Brennstoffs vorliegt. Messungen des thermochemischen Zustandes, representiert durch den lokalen Kohlenstoffmonoxid (CO) Molenbruch und die Temperatur der Gasphase, werden mittels Kombination von CO Laser induzierter Fluoreszenz (LIF) und rotations-vibrations kohärenter anti-Stokes Raman Spektroskopie mit Stickstoff als resonanter Spezies durchgeführt. Simultane Messungen von OH-, CO- und Formaldehyd-LIF erlauben die Untersuchung von Sensitivitäten auf den CO Produktions- und Oxidationsablauf in Bezug auf die untersuchten parametrischen Variationen der Randbedingungen.

Die gewonnenen Daten zeigen, dass Interaktionen zwischen der Flamme und der Effusionskühlluft lokal die Struktur der Vormischflamme innerhalb der Vorwärmzone, der Hauptreaktionszone und im Abgas beeinflussen. Räumlich sind diese Beeinflussungen nicht nur auf den Bereich nahe der effusionsgekühlten Wand beschränkt, sondern erstrecken sich durch Rezirkulation bis in die Primärzone.