HELMHOLTZ-PREIS 1987 (Preisverleihung am 14.05.1987)
Dr. Hans Förster, Dr. Henrikus Steen für die Arbeit „Untersuchungen zum Ablauf turbulenter Gasexplosionen“

Preisträger 1987: Turbulente Explosionen

Ruprecht von Siemens (re.), Henrikus Steen (M.), Hans Förster (li.)

Hans Förster wurde 1944 in Freiwaldau (Tschechien) geboren. Er studierte Physik in Freiburg und Bielefeld, und wurde 1976 in Freiburg promoviert. 1979 kam er zur PTB Braunschweig und hat in der von Henrikus Steen geleiteten Gruppe gearbeitet. Später übernahm er das Labor „Explosionsdynamik“ und leitete es bis zu seiner Pensionierung 2009.

Henrikus Steen, 1938 in Osteel (Ostfriesland) geboren, studierte Maschinenbau (Wärme‐ und Verfahrenstechnik) in Braunschweig und promovierte 1973 in Aachen. Er kam 1965 zur PTB Braunschweig und wurde 1980 Leiter der Gruppe „Grundlagen des Explosionsschutzes”. 1990 wechselte er zur Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin, wo er Leiter der Abteilung „Chemische Sicherheitstechnik“ war. 1995 wurde er pensioniert.

Im Jahr 1987 wurde mit dem Helmholtz-Preis zum ersten Mal eine Arbeit im Bereich „Physikalische Sicherheitstechnik“ prämiert: Dr. Hans Förster und Dr. Henrikus Steen von der PTB Braunschweig erhielten die Auszeichnung für ihre „Untersuchungen zum Ablauf turbulenter Gasexplosionen“. Ein gasförmiges Gemisch aus Treibstoff und Luft, das sich entzündet, explodiert wesentlich heftiger wenn es turbulent strömt als wenn es ruht oder laminar fließt.

Solche Turbulenzen können z. B. dort entstehen, wo das Gemisch in einem Rohr eine Engstelle passiert oder durch ein Leck ausströmt. Untersuchungen von Explosionen haben gezeigt, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit, mit der die Verbrennung in der Mischung vorankommt, im turbulenten Fall viel größer ist als im laminaren. Wie Explosionen in turbulenten Gemischen ablaufen und wie sie von den charakteristischen makroskopischen Längenskalen der Turbulenz beeinflusst werden, untersuchten Hans Förster und Henrikus Steen mit an der PTB durchgeführten Explosionsexperimenten.

Sie verwendeten stöchiometrische Mischungen aus Propangas und Luft, die sie durch Düsen in einen geschlossenen zylindrischen Behälter mit einem Volumen von 1,5 m3 oder 0,055 m3 einströmen ließen. Vier elektrische Ventilatoren an der Innenwand des Behälters machten das Gemisch turbulent. Von einem elektrischen Funken wurde es im Zentrum des Behälters gezündet. Durch ein Sichtfenster verfolgte eine Hochgeschwindigkeitskamera die Flammenausbreitung, während der zeitliche Verlauf des Explosionsdrucks an der Behälterwand gemessen wurde. Die optisch ermittelte Flammengeschwindigkeit stimmte mit der aus dem Druckverlauf berechneten gut überein. Demnach lief die Explosion in zwei Phasen ab. Zunächst war die turbulente Flammengeschwindigkeit uT nicht viel größer als die in früheren Experimenten gemessene laminare Flammengeschwindigkeit uL. Doch nach einigen 10 Millisekunden beschleunigte sich die Explosion, und uT konnte im größeren Behälter das Sechsfache von uL erreichen, im kleineren Behälter immerhin das Vierfache. Dabei war es entscheidend für uT, welche mittlere Größe L die in der turbulenten Strömung auftretenden Wirbel hatten. Je größer der Behälter war, desto größer und stärker waren die Wirbel, die die Flammenausbreitung beschleunigten.

Wie Förster und Steen zeigen konnten, war uT in guter Näherung eine Funktion der turbulenten Reynolds-Zahl Re = u ∙ L/ν, mit der mittleren turbulenten Geschwindigkeitsschwankung u und der Viskosität ν. Demnach galt uT/uL = (1 + 0,012 ∙ Re)0,5. Für die turbulente Flammengeschwindigkeit war somit neben der Geschwindigkeitsschwankung auch die charakteristische Längenskala L der Turbulenz entscheidend. Die Forscher schlossen daraus: „Für sicherheitstechnische Abschätzungen von Flammenbeschleunigungen, von Druckanstiegsraten oder von Spitzenwerten in Explosionsdruckwellen sind daher die Abmessungen des Behälters oder die Größe der explosionsfähigen Gemischwolke in Betracht zu ziehen.“ Diese Ergebnisse fanden seinerzeit starkes Interesse in der Sicherheitstechnik.

Literature

H. Förster und H. Steen: Untersuchungen zum Ablauf turbulenter Gasexplosionen. PTB-Mitteilungen 97, (1987), 368