Experimente und
hierarchische Modellierung zu periodischen Störungen in Flammen
Ein Themenfeld des beantragten Sonderforschungsbereichs sind
die grundlegenden Mechanismen, die zu Verbrennungsinstabilitäten führen.
Der Ausbreitungsmechanismus einer Vormischflamme beruht auf einem
komplexen Zusammenspiel zwischen Strömung, chemischer Kinetik und
Transportvorgängen. In der praktischen Anwendung ist dieser Mechanismus
zeitabhängigen Störungen ausgesetzt, da im allgemeinen turbulente
Strömungsbedingungen vorliegen und akustische Eigenschaften des Brenners
und des Zuleitungssystems Störungen des Druckfelds und der
Gemischzusammensetzung einbringen. Ziel des Teilprojekts ist zunächst
die Klärung des Verhaltens laminarer Vormischflammen bei periodischen Störungen
der Gemischzusammensetzung und der strömungsmechanischen Randbedingungen. Die
gefundenen Ansätze sollen später schrittweise zur Beschreibung turbulenter
Flammen herangezogen werden. Z.B. sollen Subgridmodelle für die LES
vorgeschlagen werden.
Das vorgeschlagene Forschungsprojekt soll durch zwei
hierarchisch aufeinander aufbauenden Modelle für einerseits die
chemische Kinetik als auch die globale Strömung sowie durch Experimente
mit berührungsfreier Laserdiagnostik zur Klärung möglicher
Wechselwirkungen auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen aufbauen.
Durch das Zusammenwirken der verschiedenen Ansätze soll ein Gesamtmodell
erstellt werden, das mit den experimentellen Daten validiert wird.
Außerdem soll eine experimentelle Datenbasis aufgebaut werden, die
anderen Teilprojekten (z.B. A4 und B1) zur Verfügung steht.
Als Untersuchungsobjekt wird eine Methan-Unterdruckvormischflamme
definiert. Durch periodische Störungen des Strömungsfelds bzw. der
Gemischzusammensetzung wird die Flamme so stark gestört, daß sie nicht mehr
durch eine Abfolge quasistationärer Zustände beschrieben werden kann. Durch die
Zeitabhängigkeit des Problems werden Zwischenprodukte der Verbrennungsreaktion
Bedingungen ausgesetzt, die im stationären Fall nicht vorzufinden sind.
Hierdurch können sich Verschiebungen der Reaktionspfade ergeben. Bei starken
Störungen kann dies bis zu Lösch- und Wiederzündereignissen führen. Durch
nichtlineare Wechselwirkungen mit dem Strömungsfeld entstehen komplexe
zeitliche Abfolgen der Topologie der Flamme.
Im Experiment sollen Parameterbereiche identifiziert werden,
für welche die Flamme empfindlich auf aufgeprägte Störungen reagiert.
Durch 2D-Rayleighstreuung und 2D-LIF sowie 1D-Raman-Spektroskopie sollen
die Hauptspezies, ausgewählte Radikale und die Temperatur phasengekoppelt
gemessen werden. Durch die Simulation von zeitperiodisch gestörten
Flammenstrukturen unter Anwendung komplexer chemischer Kinetik wird der
Zusammenhang zwischen einer Zielgröße, z.B. der Flammengeschwindigkeit oder der
Amplitude der Störbewegung, und der eingebrachten Störung ermittelt. Hierauf
aufbauend werden Modelle entwickelt, welche die Ausbreitung von instationären,
gekrümmten und gestreckten Vormischflammen variabler Zusammensetzung
beschreiben. Die hierfür erforderlichen Modellparameter werden aus den räumlich
und zeitlich aufgelösten Flammenstrukturdaten extrahiert. Die entwickelten
Modelle erlauben die Simulation des Gesamtvorgangs wobei die Levelset-Methode
zur Anwendung kommt. Der Vorteil dieser numerischen Methode ist die akkurate
implizite Darstellung der Geometrie der Flamme. Die Simulation wird mit den
laseroptisch bestimmten Meßdaten verifiziert. Das Experiment liefert Meßdaten
zur inneren Struktur der Flamme, so daß gewährleistet werden kann, daß die
Simulationen der Flammenstrukturen in Einklang mit den experimentellen
Bedingungen sind. Weiterhin liefert das Experiment Daten des Gesamtprozesses
und erlaubt somit die Verifizierung des Modells auf allen Längenskalen.
Die Besonderheit des Teilprojekts ist die enge Vernetzung von
zwei theoretischen Modellansätzen mit einem abgestimmten Experiment.
Durch das Mitwirken der theoretischen Gruppen bei der Definition des
Experiments und die Verknüpfung der hierarchischen Modellansätze
untereinander wird gewährleistet, daß für die Problemstellung
aussagefähige Daten bereitgestellt werden können, die den anderen Teilprojekten
zur Verfügung stehen. Das Teilprojekt liefert wichtige Informationen für
diejenigen Teilprojekte, die sich mit Verbrennungsinstabilitäten befassen (A6,
A7, C1). Darüber hinaus ergibt sich ein enger Zusammenhang zu den
Teilprojekten, die sich mit der Struktur von Flammen bei instationärer
Verbrennung auseinandersetzen (A4, B1).
