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.
