Vormischflammen und geschichtete Flammen unter technisch relevanten Bedingungen: Modellierung der thermochemischen Zustände und der Flammenstruktur

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kronenburg
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 224559072

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die typischen, modernen Brennerkonzepte basieren auf mageren Vormischflammen, da unter diesen Bedingungen sowohl NOx- als auch Rußbildung minimiert werden können. Eine perfekte Vormmischung ist allerdings nur schwer zu realisieren und/oder mag auch nicht unbedingt erwünscht sein, da ein lokal fetteres Gemisch zur Flammenstabilisierung beitragen kann. In technischen Applikationen ist diese stratifizierte Verbrennung meist turbulent und eine genaue Modellierung erfordert die Abbildung der komplexen Wechselwirkungen zwischen Strömung und Flamme. Die üblichen Verbrennungsmodelle postulieren eine im Vergleich zu allen turbulenten Skalen schnelle Chemie, d.h. eine lokal laminare Flammenfront wird vorausgesetzt und lediglich die Ausbreitung der Flammenfront wird modelliert. Die Gültigkeit einer Modellierung geschichteter Verbrennung als einfaches Ensemble vorgemischter, laminarer Flammen mit unterschiedlichen Äquivalenzverhältnissen ist aber fragwürdig, und sowohl die Direkte Numerische Simulation (DNS) als auch die Large-Eddy Simulation (LES) zeigten, dass der Modelltransfer von der vorgemischten auf die stratifizierte Verbrennung besser evaluiert werden muss. Die sogenannte PDF-Methode, die die Lösung der gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsverteilung des thermo-chemischen Zustands zum Ziel hat, erlaubt eine sehr viel genauere Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Flamme und Turbulenz. Eine PDF Methode ist allerdings nicht ohne Weiteres auf die Modellierung vorgemischter Flammen anwendbar. Existierende Implementierungen mit Hilfe stochastischer Monte-Carlo Partikel (die lokale Fluidelemente repräsentieren) verhindern nicht, dass Modelle, die (turbulentes und molekulares) Mischen der Fluidelemente emulieren, ein Mischen über die Flamme hinweg erlauben, d.h. unverbranntes Fluid mischt direkt mit dem vollständig verbrannten Gemisch. Eine unphysikalische Aufdickung der Flamme und eine erhöhte Flammenausbreitungsgeschwindigkeit sind die Folge. Drei koordinierte Projekte an den Universtitäten Darmstadt und Stuttgart sowie an der Hochschule Darmstadt befassten sich nun mit der experimentellen, theoretischen und numerischen Untersuchung stratifizierter Vormischflammen. Innerhalb des Projekts der Universität Stuttgart wurde eine neue Methode, das multiple mapping conditioning (MMC), für das Mischen stochastischer Monte-Carlo Partikel entwickelt. Hierbei werden die zu mischenden Partikel auf ihre jeweilige Position innerhalb der Flamme konditioniert, und somit wird Mischen über die Flamme hinweg verhindert. Das neue Modell wurde mit Hilfe der experimentellen Daten kalibiert und validiert. Es zeigt sich, dass die Konditionierung des Mischens sowohl die Vorhersage dünner Flammen ermöglicht, als auch Abweichung von diesen dünnen Flammen (flamelet-Strukturen) erlaubt, falls Chemie-Turbulenz Wechselwirkungen die Flamme aufdicken. Verdeutlicht wird dies vor allem durch die guten Vorhersagen der konditioniert gemittelten Varianzen von Kohlenstoffmonoxid, mit deren Hilfe die Abweichungen von der flamelet-Struktur quantifiziert werden können. Aber auch unkonditioniert gemittelte Stoffkonzentrationen und Varianzen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit Experimenten in reinen Vormischflammen und Flammen mit Brennstoffschichtung. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass MMC prinzipiell regimeübergreifend sowohl laminare Flammenstrukturen als auch durch Turbulenz aufgedickte Flammen abbilden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2019) Modeling stratified flames with and without shear using multiple mapping conditioning. Proceedings of the Combustion Institute 37 (2) 2317–2324
  Straub, C.; Kronenburg, A.; Stein, O. T.; Barlow, R. S.; Geyer, D.
  
• (2019) Numerical simulations of turbulent lifted jet diffusion flames in a vitiated coflow using the stochastic multiple mapping conditioning approach. Proceedings of the Combustion Institute 37 (2) 2199–2206
  Ghai, Sanjeev Kumar; De, Santanu; Kronenburg, Andreas
  
• “Mixing modelling framework based on multiple mapping conditioning for the prediction of turbulent flame extinction”, Flow Turbul. Combust., 95:501-517 (2015)
  K. Vogiatzaki, S. Navarro-Martinez, S. De and A. Kronenburg
  
• “The effect of time scale variation in multiple mapping conditioning mixing of PDF calculations for Sandia Flame series (D-F)”, Combust. Theor. Modelling, 20(5):894-912 (2016)
  C. Straub, S. De, A. Kronenburg, and K. Vogiatzaki
  
• “Modelling of Turbulent Premixed Stratified Combustion with Multiple Mapping Conditioning Mixing Model” 8th European Combustion Meeting, Apr. 18-21 2017, Dubrovnik, Croatia
  C. Straub, A. Kronenburg, O.T. Stein, G. Kuenne and K. Vogiatzaki
  
• “Multiple mapping conditioning coupled with an artificially thickened flame model for turbulent premixed combustion”, Combust. Flame, 196:325-336 (2018)
  C. Straub, A. Kronenburg, O.T. Stein, G. Kuenne, J. Janicka, R.S. Barlow, D. Geyer