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Motivation des Sonderforschungsbereichs

Die Deckung des steigenden Energiebedarfs der Weltbevölkerung stellt eine der zentralen Aufgaben der Wissenschaft und Technik für die nächsten Dekaden dar. Hierbei steht vor allem die Entwicklung einer Technik im Vordergrund, die anthropogene, nicht reversible Veränderungen  der Umwelt vermeidet  bzw. auf ein Minimum beschränkt.  Als besondere Probleme sind die Emission von Schadstoffen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, das sparsame Umgehen mit den natürlichen Ressourcen, globale Veränderungen des Klimas durch  sogenannte „Treibhausgase“ oder die Entwicklung von Alternativen zum Einsatz von fossilen Brennstoffen anzuführen. Diese Probleme haben zur Festschreibung von Eckdaten durch die politischen Institutionen als Aufgaben für Wissenschaft und Technik geführt, z.B. zur Verminderung des Kohlendioxidausstoßes. Für die wichtigsten  Energieumwandlungsprozesse existieren Festlegungen  der Industrie, z.B. hinsichtlich des Verbrauchs und der Schadstoffemission von Kraftfahrzeugen, der Entwicklung schadstoffarmer Verbrennungskonzepte für Fluggasturbinen und stationäre Gasturbinen sowie Absichtserklärungen hinsichtlich des Energieverbrauchs überhaupt. Die Technologien zur Realisierung solcher Eckdaten bzw. Absichten befinden sich gegenwärtig noch am Anfang der Entwicklung und die zeitlichen Vorgaben bzw. die Bedeutung der Aufgaben erfordern  verstärkte wissenschaftliche Anstrengungen zum Erreichen der weitgesteckten Ziele.

Die wichtigsten Technologien zur Energieumwandlung beruhen gegenwärtig und auch mittelfristig auf der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Verbrennungsmotoren, Gasturbinenbrennkammern und technischen Feuerungen. Die Energie für den Verkehr, für die Kraftwerkstechnik und für industrielle Prozesse ist thermische Energie auf hohem Druck- und Temperaturniveau. Darüber hinaus sind - insbesondere im  Straßen- und Luftverkehr Primärenergieträger mit hoher Energiedichte unverzichtbar. Fossile Energieträger werden deshalb in diesen Bereichen auch längerfristig nur schwer substituiert werden können.

Bei der Entwicklung und Optimierung von Brennverfahren für Kolbenmotoren steht die Reduktion der Emission von Schadstoffen und Kohlendioxid („drei-Liter-Automobil“) im Mittelpunkt der Forschung.  Die technische Entwicklung der letzten Jahre fokussierte sich  hierbei auf die Kraftstoff-Direkteinspritzung bei Diesel- und Otto-Motoren. Dieses Verfahren birgt große Möglichkeiten hinsichtlich der Verbrauchsabsenkung und Minimierung der Schadstoffemission in sich. Das Potenzial der Direkteinspritzung liegt beim Otto-Motor im wesentlichen in der Entdrosselung des Prozesses. Gleichzeitig kann durch eine gezielte Ladungsschichtung der Wirkungsgrad von Otto-Motoren weiter gesteigert werden.

Die technische Entwicklung im Bereich stationärer und mobiler Gasturbinen hat zu Verbrennungskonzepten geführt, mit denen eine erhebliche Verringerung der NOx-Emission erreicht wird. Anzuführen sind hier die vorgemischte, magere Betriebsweise (LPP-Konzept, „lean-premixed-prevaporized“) und die ebenfalls diskutierte gestufte fett-mager Verbrennung (RQL-Konzept „rich-quench-lean“), der in dieser Hinsicht ein gewisses Potenzial zugeschrieben wird.

In den unterschiedlichen Anwendungsfeldern der technischen Verbrennung hat sich die gestufte Verbrennung mit einer Magerstufe in Drallflammen hoher Energiedichte mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen als ein zukunftsweisendes Konzept durchgesetzt.

Die Gemischbildung und Verbrennung in (direkteinspritzenden) Verbrennungsmotoren erfolgt grundsätzlich instationär. In „stationären“  Verbrennungsprozessen in Gasturbinen bzw. technischen Flammen werden wesentliche Probleme, die vielfach eine technische Realisierung fortschrittlicher Verbrennungskonzepte verhindern, durch instationäre Vorgänge verursacht. Als Beispiele sollen hier angeführt werden Flammenstabilisierung sowie Zünd/Löschvorgänge oder Flammenrückschlag bei magerer, vorgemischter Betriebsweise oder die Kopplung von Energiefreisetzung und Strömung zu sich selbst erhaltenden oder verstärkenden Instationaritäten (Thermoakustik). Unter solchen Bedingungen spielt auch die Brennstoffaufbereitung und Mischung in instationären Strömungen sowie die Schadstoffbildung in instationären Mischungsfeldern eine wichtige Rolle für die Qualität des Verbrennungsprozesses.

Trotz der grundlegenden Bedeutung instationärer Prozesse für die technische Energieumwandlung sind Verbrennung, chemische Reaktionen, Stoff-und Wärmeübertragung sowie deren Kopplung  in instationären Geschwindigkeits-, Temperatur-und Druckfeldern in ein- oder mehrphasigen Strömungen  gegenwärtig noch nicht vollständig. Dies liegt einerseits daran, dass experimentelle Methoden, die auf berührungslosen, abbildenden laserspektroskopischen Verfahren beruhen,  erst in jüngster Vergangenheit intensiv entwickelt wurden. Andererseits ist es ebenfalls erst in jüngster Zeit gelungen, numerische Methoden für die Anforderungen real instationärer Probleme zu entwickeln.  Das Verständnis von instationären Vorgängen ist jedoch eine wesentliche Voraussetzung für die Vorhersage von z.B. Flammenstabilisierung, Zünd/Löschvorgängen, Brennkammerschwingungen und für die Bereitstellung von Entwicklungswerkzeugen für technische Verbrennungseinrichtungen in Form von Modellen bzw. numerischen Verfahren. Gegenwärtig beruhen Modelle in industriell eingesetzten Entwicklungswerkzeugen bis auf wenige Ausnahmen auf stationären oder quasistationären Ansätzen. Ausnahmen hiervon wie das von Peters entwickelte RIF-Konzept ( RIF: „representative interactive flamelet“) verwenden im „konventionellen“ Teil (Turbulenzmodellierung, Wärmeübertragung) ebenfalls stationäre Ansätze. Der hier beantragte Sonderforschungsbereich soll dazu beitragen, diese Lücken zu schließen.