Kontrolle von Verbrennungsinstabilitäten mit Plasmaentladungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jonas Moeck
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242643022

Verbrennungsinstabilitäten stellen bei der Entwicklung moderner, schadstoffarmer Verbrennungssysteme ein wesentliches Problem dar. Eine wirksame Methode zur Unterdrückung dieser verbrennungsinduzierten akustischen Schwingungen bietet die aktive Kontrolle der Systemdynamik. Diese Methode wurde in den letzten 20 Jahren in vielen Untersuchungen erfolgreich angewandt. Zur Aktuation wurden meist Lautsprecher oder Ventile zur Brennstoffmodulation verwendet. Trotz ihrer prinzipiellen Machbarkeit und ihres großen Nutzens, wird die aktive Kontrolle von Verbrennungsinstabilitäten in der Praxis jedoch nur äußerst selten eingesetzt. Der Hauptgrund hierfür ist der Mangel an geeigneter Aktuationstechnologie.Die Antragsteller konnten vor kurzem die prinzipielle Nutzbarkeit von Nichtgleichgewichts-Plasmaentladungen zur Kontrolle der Verbrennungsdynamik demonstrieren. Unter Verwendung einer Aktuation basierend auf Nanosekunden-gepulsten Plasmaentladungen konnten thermoakustische Instabilitäten in Verbrennungsversuchsständen beim deutschen und beim französischen Partner kontrolliert werden. Um jedoch die Wirkungsweise der Plasmaentladungen auf die Flamme zu verstehen und das volle Potenzial dieses neuartigen Ansatztes ausschöpfen zu können, sind weiterführende Untersuchungen im Grundlagenbereich notwendig.Die Ziele des vorgeschlagenen Projektes sind daher zum einen, grundlegendes Verständnis der Interaktion der Verbrennungsdynamik mit Nichtgleichgewichts-Plasmaentladungen zu erarbeiten und zum anderen, die experimentelle Evaluierung des Konzeptes der Kontrolle von Verbrennungsinstabilitäten mithilfe einer Plasmaaktuation. Um die komplementäre Expertise der Partner auszunutzen, werden experimentelle Untersuchungen zur Interaktion der Plasmaentladungen mit dem akustischen Feld und der Flamme in Deutschland und in Frankreich durchgeführt. Hierfür werden zunächst generische Konfigurationen verwendet. Mithilfe von numerischen Simulationen wird ein empirisches Modell für die Plasma-Flamme Interaktion erstellt. Der Einfluss der Plasmaentladungen auf für die Anwendung relevante drallstabilisierte Flammen wird im Hinblick auf akustische, kinetische und hydrodynamische Effekte untersucht. Unter Verwendung der gewonnenen Erkenntnisse wird ein geeigneter Plasmaaktuator in einen atmosphärischen Brennkammerprüfstand mit vollturbulenter Drallflamme implementiert. Die Antwort der Flamme auf Anregung durch die Plasmaaktuation wird mit akustischen und optischen Methoden gemessen. Das Übertragungsverhalten der Plasmaanregung wird mit einem thermoakustischen Systemmodell kombiniert, um geeignete Regelungsverfahren zur Kontrolle der Verbrennungsdynamik zu erstellen. Diese werden schließlich zusammen mit dem Plasmaaktuator im Brennkammerprüfstand zur Kontrolle hochamplitudiger thermoakustischer Instabilitäten eingesetzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Beteiligte Personen: Dr. Anne Bourdon; Dr. Daniel Durox; Professorin Dr. Deanna Lacoste; Professor Dr. Cristophe Laux; Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit; Professor Dr. Thierry Schuller; Dr. Denis Veynante