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TP - A6
Large-Eddy Simulation (LES) der oszillierenden Strömung in Brennkammern bei Konfigurationen mit pilotierten Vormischflammen
project finished

Projektleiter: 
Prof. Dr.-Ing. habil. Jochen Fröhlich
Institut für Strömungsmechanik
Technische Universität Dresden
01062 Dresden
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Telefax: +49(0)351/463-35246
E-mail:

Prof. Dr. Ulrich Maas
Institut für Technische Thermodynamik (ITT)
Universität Karlsruhe (TH)
Kaiserstr.12
76128 Karlsruhe
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Telefax: 49(0)721/608-3931
E-mail:

Prof. Dr. Wolfgang Rodi
Karlsruhe Institut für Technologie, Campus Süd
Institut für Hydromechanik
Kaiserstraße 12
D-76128 Karlsruhe
Telefon: +49-721 608 3535
Telefax: +49-721 608 7712
E-mail:

  
Ergebnisse des Teilprojekts Veröffentlichungen
  

Zusammenfassung

Large-Eddy Simulation (LES) der oszillierenden Strömung in Brennkammern bei Konfigurationen mit pilotierten Vormischflammen

Das quantitative Verständnis von Verbrennungsinstabilitäten und der sie tragendenMechanismen ist ein wesentliches Ziel des hier beantragten Sonderforschungsbereichs. In Industriebrennern mit mageren Vormisch-Drallflammen treten häufig thermoakustische Verbrennungsinstabilitäten auf, die unerwünscht hohe Bauteilbelastungen und Emissionswerte zur Folge haben. Dabei kommt es zu einer Wechselwirkung langwelliger Druckschwankungen, für die die Brennkammer als Resonator wirkt, mit Ein- und Ausströmbedingungen sowie mit der durch turbulente Wirbelstrukturen beeinflußten Flamme. Das Verhalten der Flamme wird durch die Gemischzusammensetzung bestimmt, jedoch auch stark durch Strömungsinstabilitäten. Die durch letztere entstehenden großskaligen Wirbel sind entscheidend für die Durchmischung von verbranntem und unverbranntem Gas und bestimmen somit wesentlich den Verbrennungsprozeß.

Zum Zwecke der Zünd- und Flammenstabilisierung der Hauptflammen werden bei Mager-Vormischbrennern zunehmend Pilotflammen eingesetzt, entweder ohne oder ebenfalls mit Drall. Im resultierenden komplexen Strömungssystem mit starker Wechselwirkung zwischen den Koaxialstrahlen wurden in Experimenten starke Instabilitäten beobachtet, sogar schon im isothermen Fall, deren Ursprung und Beeinflußbarkeit noch kaum erforscht sind und die auch einer Berechnung noch schwer zugänglich sind.

Das Projekt befaßt sich mit der numerischen Simulation der genannten reaktiven Strömungen in Brennernähe, wobei als Rechenmethode die Large-Eddy-Simulation (LES) zum Einsatz kommt. Aus im Antrag näher erläuterten Gründen kann das Strömungsverhalten in Brennernähe mit den dabei auftretenden Instabilitäten vom Resonanzverhalten der Brennkammer entkoppelt betrachtet werden. Die Rechnungen erfolgen in enger Zusammenarbeit mit dem parallelen experimentellen Teilprojekt C1 und werden mit Hilfe der Ergebnisse dieses Projekts überprüft.

In der 1. Antragsphase beschränken sich die Rechnungen auf die isotherme Strömung, wozu ein in der Gruppe der Antragsteller entwickelter und seit vielen Jahren angewendeter LES Code eingesetzt wird. Die Literatur zu LES für Drallströmungen ist bisher recht spärlich, was dem Potential der Methode nicht gerecht wird. Die vorhandene LES Methodik soll daher zunächst hinsichtlich Diskretisierung und Feinstrukturmodellierung für Drallströmungen erweitert und getestet werden, wobei der geeigneten Modellierung von Ein- und Ausströmbedingungen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muß. Weiter sollen Verfahren zur Analyse kohärenter Wirbelstrukturen implementiert und weiterentwickelt werden. Sie sind die Voraussetzung für geeignete Visualisierungen und somit für das Verständnis der komplexen grobskaligen Wirbeldynamik in dieser Klasse turbulenter Strömungen. Nach der Validierung des Verfahrens sollen die Experimente im Teilprojekt C1 für die dort untersuchten unterschiedlichen geometrischen und Anströmparameter simuliert werden. Dabei sollen die Entstehung der Instabilitäten in Abhängigkeit der verschiedenen Parameter untersucht und quantitative Vergleiche mit den experimentellen Ergebnissen vorgenommen werden. Gegen Ende der Antragsphase soll, wieder parallel zu C1, die Strömung bei pulsierendem Zustrom untersucht werden.

Die genannten Arbeitsschritte legen die Grundlage für die folgenden Antragsphasen, in denen zur Simulierung der Verbrennung die Reaktionsvorgänge und die durch die Wärmefreisetzung entstehende Dichteänderung modelliert und implementiert werden sollen. Der Vorzug der LES für solche Strömungen ist die weitgehende Auflösung der turbulenten Austauschvorgänge, die für den Reaktionsverlauf und damit den für die thermo-akustische Instabilität entscheidenden Gesamtumsatz bestimmend sind. Das langfristige Ziel dieses Projektes ist es, die in der komplexen Physik koaxialer Drallflammen begründeten Ursachen für die Auslösung der thermoakustischen Instabilitäten aufzuklären und die auftretenden Phänomene berechenbar zu machen.

Das Teilprojekt A6 ist eng verknüpft mit allen Teilprojekten im Themenbereich „Brennkammerschwingungen, Modellierung (LES, URANS), Numerik“, die mit unterschiedlichen Methoden experimentell und numerisch das Problem der Verbrennungsinstabilitäten behandeln (A5, A7, B6). Einen direkten methodischen Bezug gibt es zu Teilprojekt A7, in dem LES zur Berechnung des Resonanzverhaltens in Brennkammern eingesetzt wird. Der methodische Unterschied zu Teilprojekt A7 liegt darin, daß in A6 das Strömungsverhalten in Brennernähe mit den dabei auftretenden Instabiltäten betrachtet wird.


  
Wissenschaftliche Mitarbeiter: 
Dr.-Ing. Ping Wang
Telefon: +49(0)351/463-34910
Telefax: 49(0)351/463-35246
E-mail: