Experimentelle Untersuchung des Einfluss des Temperaturfeldes auf die Entstehung einer globalen Mode in Drallstrahlen mit Wirbelaufplatzen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250934256

Drallstrahlen mit Wirbelaufplatzen sind in modernen Gasturbinenbrennern weit verbreitet. Das Wirbelaufplatzen wird von einer Präzisionsbewegung des Wirbelkerns um die Strahlachse begleitet. Dieses Phänomen wird als precessing vortex core, kurz PVC, bezeichnet. Die Entstehung des PVC ist in isothermen Drallströmungen intensiv erforscht worden. Es wurde gezeigt, dass der PVC mit einer im ganzen Strömungsfeld aktive globale Instabilitätsmode verknüpft ist.Die Wissenslücke zwischen isothermen Drallstrahlen und nicht-isothermen Drallstrahlen mit oder ohne Verbrennung besteht darin, dass im nicht-isothermen Fall bisher unerforscht ist, welche grundlegenden physikalischen Mechanismen dazu führen, dass der PVC auftritt bzw. gedämpft wird. Es ist notwendig diese Mechanismen zu verstehen, um eine effiziente Kontrolle des PVC in nicht-isothermen Strömungen zu ermöglichen.Gerade in nicht-isothermen Drallstrahlen ist eine solche Kontrolle erforderlich. Beispielsweise kann mit einer Kontrolle des PVC in Drallbrennern der Einfluss dieser großskaligen Strömungsstruktur auf die Flammendynamik gesteuert werden. Dies führt zu einer unmittelbaren Beeinflussung der Verbrennungseffizienz.Da in chemisch reagierenden Brennerströmungen hydrodynamische Instabilitäten, thermoakustische Instabilitäten und geometrische Randbedingungen auf komplexe Weise wechselwirken, werden in diesem Forschungsvorhaben vereinfachte Systeme untersucht, die nicht-isotherm sind, aber nicht chemisch reagieren. Auf diese Weise soll gezielt der Einfluss der Temperatur auf den PVC untersucht werden. Im Einzelnen wird folgenden Fragen nachgegangen:Welchen Einfluss haben die Kontrollparameter Reynoldszahl, Drallzahl und Temperaturverhältnis?Ist die Unterdrückung des PVC in nicht-isothermen Drallströmungen durch eine Änderung der Stabilitätseigenschaften begründet?Wie wirken sich das Temperaturfeld und die Dämpfung des PVC auf das Strömungsfeld aus?Die Grundlage zur Klärung der Fragestellungen bilden Messungen der Strömungs- und Temperaturfelder eines freien nicht-isothermen Drallstrahls. Anhand stationärer und transienter Messungen der Strömung wird aufgezeigt, welchen Einfluss die Kontrollparameter Reynoldszahl, Drallzahl und Temperaturverhältnis auf den PVC in Drallstrahlen haben. Aus den gemessenen Geschwindigkeitsfeldern werden mit Hilfe der Proper Orthogonal Decomposition die räumlichen Strukturen des PVC ermittelt. Die Stabilitätseigenschaften der Strömung können aus der räumlich-zeitlichen Entwicklung des PVC abgeleitet werden. Die Arbeit verspricht grundlegende, neue Erkenntnisse zum nicht-isothermen Drallstrahl und dessen Stabilitätseigenschaften. Hierdurch soll der kausale Zusammenhang zwischen dem Auftreten des PVC und den Temperaturverhältnissen in der Strömung aufgezeigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen