Feed-back control of the precessing vortex core in swirl-stabilized flames to exploit its direct impact on flame dynamics, thermoacoustic instabilities and emissions.
Final Report Abstract
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.
Publications
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