Untersuchung des direkten Einflusses des Precessing Vortex Core auf die Dynamik, thermoakustische Instabilitäten und Emissionen drallstabilisierter Flammen mittels aktiver Strömungskontrolle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die aktive und direkte Strömungskontrolle des präzedierenden Wirbelkerns (PVC) eröffnet neue Möglichkeiten den Verbrennungsprozess von drallstabilisierten Flammen zu untersuchen und zu kontrollieren. Einerseits können damit die ausschließlichen Auswirkungen des PVC auf die Flammendynamik, die Durchmischung und die Schadstoffemissionen im Detail untersucht werden, und andererseits kann das Strömungskontrollsystem dazu genutzt werden Strategien zur Kontrolle wichtiger Verbrennungseigenschaften wie thermoakustische Oszillationen oder Schadstoffemissionen zu entwickeln. Bestimmte Anforderungen müssen erfüllt sein, um sicherzustellen, dass ein solches aktives Strömungskontrollsystem eingesetzt werden kann, um die ausschließliche Rolle des PVC bei der drallstabilisierten Verbrennung zu untersuchen. Das neu entwickelte und erprobte aktive Strömungskontrollsystem wird als Werkzeug verwendet, um die Auswirkungen des PVC auf die Flammendynamik, Brennstoff-Luft Mischung und NOx-Emissionen zu untersuchen. Folgendes konnte in diesem Projekt gezeigt werden: Direkte Strömungskontrolle basierend auf analytischen Erkenntnissen aus (globaler) linearer Stabilitätsanalyse ist möglich in hochturbulenten reagierenden Drallströmungen. Durch die gezielte Aktuation der sensitiven Bereiche der Strömung kann der Energieaufwand für die Strömungskontrolle minimiert werden und die grundlegende Strömungskonfiguration bleibt erhalten. - Der PVC verschiebt die Flamme im statistischen Mittel stromauf und konzentriert den Großteil der Wärmefreisetzung an der Flammenwurzel. - Die Ablösung einer vorgemischten Drallflamme vom Brennerauslass kann durch den PVC zu fetteren Brennstoff-Luft-Gemischen verschoben werden. - Ein aktuierter PVC kann thermoakustische Oszillationen signifikant dämpfen. Für einen technisch vorgemischten Fall mit selbsterregten Oszillationen konnte eine Dämpfung von 80% erzielt werden. - Der PVC dämpft die Wachstumrate der Kelvin-Helmholtz Instabilität, welche das Wachstum von thermoakustischen Instabilitäten antreibt. Dadurch werden auch die Wärmefreisetzungsschwankungen, hervorgerufen durch thermoakustische Moden, gedämpft. Das führt zu einem reduzierten Gain der Flammentransferfunktion bei konstanter Phase. - Die großskaligen Wirbel des aktuierten PVC führen zu einer gesteigerten Durchmischung von heißen verbrannten Fluid mit dem in die Brennkammer eintretenden kalten Brennstoff-Luft-Gemisch. - In gut vorgemsichten Flammen führt der PVC zu erhöhten NOx Emissionen. Grund dafür sind: Hotspots die durch erhöhte Wirbelstärke auftreten und erhöhte Aufenthaltszeiten der freien Radikale in der Brennkammer was die NOx- Reaktionsmechanismen begünstigt. Überraschend zu beobachten war die starke Reduzierung (80%) der Amplitude der selbsterregten thermoakustischen Oszillationen durch die Aktuation des PVC in einer teilweise vorgemischten Flamme. Eine geringfügige Dämpfung war im Vornherein zu erwarten. Dass eine aktive Strömungskontrolle mit einer verhältnismäßig sehr geringen Amplitude solchen einen großen Effekt erzielt, hat die Erwartungen jedoch deutlich übertroffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2018. “Guiding Actuator Designs for Active Flow Control of the Precessing Vortex Core by Adjoint Linear Stability Analysis”. ASME. J. Eng. Gas Turbines Power, 141(4), dec, p. 041028
Müller, J. S., Lückoff, F., and Oberleithner, K.
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2018. “Open-Loop Control of the Precessing Vortex Core in a Swirl-stabilized Combustor: Impact on Flame Shape and Flame Stability”. In Proceedings of ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, no. GT2018-75472
Lückoff, F., Sieber, M., and Oberleithner, K.
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2018; “Characterization of Different Actuator Designs for the Control of the Precessing Vortex Core in a Swirl-Stabilized Combustor”. ASME. J. Eng. Gas Turbines Power, 140(4): 041503
Lückoff, F., Sieber, M., Paschereit, C. O., and Oberleithner, K.
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2019; “Excitation of the precessing vortex core by active flow control to suppress thermoacoustic instabilities in swirl flames”. International Journal of Spray and Combustion Dynamics, 11
Lückoff, F., and Oberleithner, K.
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2019; “Phase-Opposition Control of the Precessing Vortex Core in Turbulent Swirl Flames for Investigation of Mixing and Flame Stability”. ASME. J. Eng. Gas Turbines Power., 141(11): 111008
Lückoff, F., Sieber, M., Paschereit, C. O., and Oberleithner, K.
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2020. “Receptivity of the turbulent precessing vortex core: synchronization experiments and global adjoint linear stability analysis”. Journal of Fluid Mechanics, 888, p. A3
Müller, J. S., Lückoff, F., Paredes, P., Theofilis, V., and Oberleithner, K.
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2020; “Impact of the Precessing Vortex Core on NOx Emissions in Premixed Swirl-Stabilized Flames – An Experimental Study”. ASME. J. Eng. Gas Turbines Power, 142(11): 111010
Lückoff, F., Sieber, M., Paschereit, C. O., and Oberleithner, K.
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2021; “Mean field coupling mechanisms explaining the impact of the precessing vortex core on the flame transfer function”. Combustion and Flame, 223, 254–266
Lückoff, F., Kaiser, T. L., Paschereit, C. O., and Oberleithner, K.
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2021; „Design of a Fluidic Actuator with Independent Frequency and Amplitude Modulation for Control of Swirl Flame Dynamics“. Fluids 2021, 6, 128
Adhikari, A., Schweitzer, T., Lückoff, F. and Oberleithner, K.
