TP - B8
Modellierung der instationären turbulenten Flammenausbreitung

Die instationäre Flammenausbreitung in turbulenten Strömungen vorgemischter Gase wird durch zwei Einflüsse wesentlich bestimmt: Zum einen hängt die turbulente Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von den charakteristischen turbulenten Größen ab. Zum anderen existiert bei instationären Verbrennungsvorgängen eine Wechselwirkung zwischen Flammenausbreitung und Turbulenz: Man hat beobachtet, dass sich eine turbulente Flamme, deren Flammenausbreitungsgeschwindigkeit zunächst von den anfänglich aufgeprägten turbulenten Schwankungen abhängt, im weiteren Verlauf selbst beschleunigt. Dieses Phänomen wurde sowohl bei isochorer als auch bei isobarer turbulenter Flammenausbreitung beobachtet, konnte aber bis heute nicht befriedigend erklärt bzw. theoretisch erfasst werden.

Für die Abhängigkeit der turbulenten Flammenausbreitungsgeschwindigkeit S_T von der Turbulenzintensität verwendet man häufig Korrelationen in der Form

Solche Korrelationen erfassen jedoch wesentliche Einflussgrößen nicht. Geht man z.B. von brennstoffarmen bzw. brennstoffreichen Gemischen mit der gleichen laminaren Flammengeschwindigkeit S_L aus, ergibt sich ein von der Gemischzusammensetzung und vom Brennstoff abhängiges n. Bei Methan z.B. findet man für brennstoffreiche Gemische größere Exponenten n als für brennstoffarme Gemische. Bei Propan findet man den umgekehrten Zusammenhang für die turbulenten Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten. Offensichtlich spielen bei der turbulenten Flammenausbreitung Effekte der bevorzugten Diffusion bzw. Lewis-Zahl-Effekte eine wichtige Rolle. Korrelationen für die turbulente Flammenausbreitungsgeschwindigkeit der oben angegebenen Art erfassen weiterhin nicht den Einfluss der Flammenstreckung und Flammenkrümmung auf die laminare Flammengeschwindigkeit. Auch hierfür werden verbesserte Korrelationen benötigt. Leider ist eine getrennte Variation der maßgeblichen Parameter im Experiment nicht möglich bzw. stehen diese Daten aus dem Experiment nur als gemittelte Größen zur Verfügung. Im vorliegenden Teilprojekt soll daher die instationäre, isobare, turbulente Flammenausbreitung anhand von Direkten Numerischen Simulationen (DNS) untersucht werden. Experimentelle Daten zur Validierung der Simulationsmethode stehen aus den Teilprojekten A9 und B2 zur Verfügung. Durch die DNS können einzelne Mechanismen in ihrer Wirkung genauer analysiert werden als dies im Experiment möglich ist. Hierdurch sollen die experimentell ermittelten Einflüsse der bevorzugten Diffusion, der Flammenstreckung und der Krümmung in die Modellierung eingebracht werden und darüber hinaus weitere Erkenntnisse zur flammenerzeugten Turbulenz geliefert werden. Vorrangiges Ziel ist die Erstellung möglichst allgemeingültiger Modellgleichungen für die turbulente Flammengeschwindigkeit. In Teilprojekt A9 wurden beispielsweise auf experimenteller Grundlage Flammengeschwindigkeitsbeziehungen entwickelt, die über (1) hinausgehen und insbesondere Lewis-Zahl-Effekte berücksichtigen. Diese Beziehungen sollen mit Hilfe der DNS Daten modifiziert und erweitert werden. Beispielsweise soll nicht die planare laminare Brenngeschwindigkeit S_L sondern die auf Grund von Streckung und Stauchung geänderte laminare Brenngeschwindigkeit herangezogen werden. Zu diesem Zweck werden aus DNS-Rechnungen, die unter Verwendung detaillierter Chemie durchgeführt werden, Bibliotheken erstellt, welche die Brenngeschwindigkeit als Funktion der lokalen Streckung/Stauchung wiedergeben. Bei dieser Vorgehensweise sind die Einflüsse der bevorzugten Diffusion inhärent mit berücksichtigt. Ein zweites Ziel ist der Einsatz der Flammengeschwindigkeitsbeziehung als Feinstrukturmodell innerhalb einer Large Eddy Simulation (LES) für Vormischflammen ab. Die modellierte turbulente Flammenausbreitungsgeschwindigkeit enthält ein turbulentes Zeitmaß t_T. In der existierenden Modellierung auf RANS oder URANS-Ebene wird hier das Makro-Zeitmaß der Turbulenz insgesamt verwendet. Ersetzt man dies durch ein Zeitmaß, das nur die in einer LES nicht aufgelöste Turbulenz repräsentiert, ergibt sich ein LES-Feinstrukturmodell. Diese Modellierung soll durch A-priori-Tests auf der Basis der DNS Daten entwickelt und mit Hilfe einzelner LES derselben Konfiguration getestet werden. Die sehr rechenzeitintensiven DNS-Rechnungen sollen auf dem Landeshöchstleistungsrechner durchgeführt werden, der zurzeit am Karlsruher Rechenzentrum installiert wird. Das vorliegende Projekt ist darauf angelegt, diesen Standortvorteil für den SFB zu nutzen, um aktuelle, international konkurrenzfähige Simulationen durchzuführen. Die Untersuchungen sind inhaltlich aufs engste mit dem Teilprojekt A9 verknüpft. Sowohl die Vermessung des Geschwindigkeitsfeldes als auch die Erfassung der Flammenstruktur werden zur Beurteilung und Bewertung der Rechenergebnisse herangezogen. Darüber hinaus ist das Problem der instationären Flammenausbreitung vorgemischter, magerer, turbulenter Flammen ein tragendes Thema des Sonderforschungsbereichs 606. Dieses Projekt liefert weiterhin Verbrennungsmodelle für alle Projekte, die sich mit der LES vorgemischter Verbrennung beschäftigen.