Numerische Simulation von periodisch
angeregten turbulenten Verbrennungsvorgängen in realen Systemen
Ein wesentliches Themenfeld des beantragten
Sonderforschungsbereichs ist instationäre Flammenausbreitung, Thermoakustik in
Verbindung mit Flammenzünden und löschen. In realen Brennkammern werden diese
Vorgänge durch periodische Fluktuationen des Äquivalenzverhältnisses, der
Temperatur, der Turbulenz sowie der Flammenstreckung hervorgerufen. Diese
Vorgänge können zu erhöhten Schadstoff- und Schallemissionen und in schweren
Fällen auch zum Flammenerlöschen führen. Neben den nichtlinearen Effekten der
Kinetik der Verbrennung spielen hierbei auch nichtlineare strömungsmechanische
Effekte eine Rolle. Die Mechanismen, die zu periodischen Schwingungen in Brennkammern
führen sind thermoakustische Phänomene durch Resonanzerscheinungen im
Brennraum, Rückkopplung von Entropiewellen sowie strömungsmechanische
Phänomene, die durch periodische Wirbelablösung verursacht werden.
Zur rechnerischen Vorhersage und Simulation von
Verbrennungsschwingungen sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Dazu gehören
halbempirische Verfahren, die in erster Linie zur Stabilitätsanalyse von
Verbrennungssystemen dienen. Solche Verfahren sind in der Praxis leicht
einzusetzen, da ihr Rechenaufwand gering ist. Der Nachteil solcher Verfahren
ist jedoch darin zu sehen, dass hier nicht-universelle und nur aufwendig zu
bestimmende empirische Größen Einfluss finden.
Neben den erwähnten empirisch gestützten Methoden wird in
jüngster Zeit auch die Entwicklung von Verfahren vorangetrieben, die auf der
numerischen Strömungssimulation beruhen. Hierzu sind im wesentlichen die
Verfahren zu nennen, bei denen die Grobstrukturen der Strömungsturbulenz in der
Berechnung aufgelöst werden (LES-Methode, LES=Large Eddy Simulation). Eine in
vielen Fällen ausreichende Rechengenauigkeit kann jedoch auch bei der Anwendung
der wesentlich recheneffizienteren Methoden erwartet werden, bei denen auf der
Basis von statistisch gemittelten Transportgleichungen das gesamte oder große
Teile des turbulenten Spektrums modelliert werden. Solche Verfahren eröffnen
die Möglichkeit, umfangreiche numerische Studien mit Variation der wichtigsten
physikalischen, chemischen und geometrischen Parametern anzufertigen. Das
Rechengebiet kann hierbei auf die akustisch und strömungsmechanisch gekoppelten
Strömungskanäle erweitert werden, die der eigentlichen Brennkammer vor-, nach-
oder parallelgeschaltet sind. Eine weitere vielversprechende Möglichkeit zur
Verringerung des Rechenaufwandes bei Berücksichtigung des gesamten akustisch
wirksamen Systems in der numerischen Simulation ist die Vorgabe von geeigneten
Randbedingungen für die wirksamen akustischen Impedanzen. Die Konstruktion, die
Implementierung und das Testen solcher Randbedingungen sollen einen wichtigen
Schwerpunkt der im Rahmen des vorliegenden Vorhabens geplanten Arbeiten bilden.
Insgesamt entsteht so auch für die praktische Anwendung die
Möglichkeit, Schwingungsvorgänge im Flammrohrinneren beispielsweise bei
Berücksichtigung der Wechselwirkung des gesamten Brennkammersystems zwischen
Verdichteraustritt und Turbineneintritt zu berechnen. Auf diese Weise können
wichtige Daten für die halbempirischen Verfahren, die bislang nur aus
aufwendigen Messungen zu bestimmen waren, aus numerischen Berechnungen
abgeleitet werden. So können beispielsweise Flammentransferfunktionen von
realen Systemen numerisch bestimmt werden. Gleichzeitig sind auch eingehende
numerische Untersuchungen über die ablaufenden nichtlinearen, mehrdimensionalen
Effekte und damit zur Übertragbarkeit von Flammentransferfunktionen möglich.
Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens soll die langfristige
Zielsetzung der numerischen Simulation von Verbrennungsschwingungen in realen
Brennkammersystemen verfolgt werden. Dazu sind Untersuchungen zur numerischen
Simulation von Flammenschwingungen auf der Basis von statistischen
Turbulenzmodellen geplant (URANS-Methoden = Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes).
Neben der Ausarbeitung und Definition von geeigneten Randbedingungen werden die
Arbeiten auch auf Fragen der numerischen Rechengenauigkeit ausgerichtet werden.
Weiterhin sind Untersuchungen zu neueren Ansätzen der Turbulenzmodellierung
geplant, durch die ein Übergang zur VLES-Methode (VLES=Very Large Eddy
Simulation) geschaffen wird.
Das Teilprojekt B6 ist eng mit den Teilprojekten A7 und C1
verknüpft. In diesen Teilprojekten werden experimentelle Ansätze erarbeitet,
die zur Validierung der hier verwendetenModelle herangezogen werden können.
Darüber hinaus kann mit Hilfe der LES-Ergebnisse aus A6 und A7 ein methodische
Vergleich der statistischen Verfahren mit LES gezogen werden. Dieser Vergleich
ist für die längerfristige Strategie der praktischen Anwendung von
Simulationswerkzeugen wichtig.
