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TP - B6
Numerische Simulation von periodisch angeregten turbulenten Verbrennungsvorgängen in realen Systemen
project finished

Projektleiter: 
Prof. Dr.-Ing. Manfred Aigner
Institut für Verbrennungstechnik
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Pfaffenwaldring 38-40
70569 Stuttgart
Telefon: +49(0)711/6862-309
Telefax: +49(0)711/ 6862-578
E-mail:

Dr.-Ing. habil. Berthold Noll
Institut für Verbrennungstechnik
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Pfaffenwaldring 38-40
70569 Stuttgart
Telefon: +49(0)711 / 6862-413
Telefax: +49(0)711/6862-578
E-mail:

  
Ergebnisse des Teilprojekts Veröffentlichungen
  

Zusammenfassung

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.


  
Wissenschaftliche Mitarbeiter: 
Dr. Kejian Xiao