Regime bei turbulenter nicht-vorgemischter Verbrennung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch, seit 7/2015
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259372813

In vielen praktischen Anwendungen von nicht-vorgemischter Verbrennung wird das Flamelet Modell verwendet. Es wurde jedoch vielfach die Frage gestellt, inwiefern die diesem Modell zugrunde liegenden Annahmen bei intensiver und kleinskaliger Turbulenz gültig sind. In diesem Antrag soll diese Frage anhand von Direkten Numerischen Simulationen (DNS) bewertet werden. Dazu wird auf die numerische Anordnung einer sich zeitlich entwickelnden ebenen turbulenten Freistrahl-Flamme zurückgegriffen. Der Freistrahl besteht aus einem Methan-Stickstoff-Gemisch, das den gleichen Stickstoff-Massenanteil wie der umgebende Oxidator-Strom hat. Als Oxidator wird Luft und mit Stickstoff verdünnte Luft verwendet. Wegen der grossen Verdünnung und der sich daraus ergebenden relativ niedrigen Temperaturen sind dies Situationen, in denen die Flamelet-Annahmen besonders kritisch sein könnten. Es werden 2 Fälle mit variablen Lewis-Zahlen und 2 Fälle mit der Lewis-Zahl eins gerechnet. Neben den Gleichungen für die Temperatur und die Massenbrüche der chemisch reagierenden Komponenten wird auch eine Gleichung für den Mischungsbruch gelöst. Das Mischungsbruchfeld wird raumfüllend in sogenannte Dissipationselemente (DE) aufgeteilt, die jeweils ein glattes Gebiet zwischen einem örtlichen Minimum und einem örtlichen Maximum des Mischungsbruchs umfassen. Neben der skalaren Differenz des Mischungsbruchs Delta Z an den beiden Extremalpunkten wird auch der Abstand zwischen den Punkten und der daraus folgende mittlere Mischungsgradient g über die Elemente berechnet, so dass die Elemente durch die zwei Parameter Delta Z und g charakterisiert werden. Die sich innerhalb der einzelnen Elemente befindenden Reaktions-Strukturen können anhand der DNS-Ergebnisse detailliert untersucht werden. Es sollen die Reaktions-Strukturen: Brennende Flamelets, Ecken-Flammen, feinskalige Mischungszonen und gebrochene Reaktionszonen in einem Regime-Diagramm, gebildet mit den beiden Parametern delta Z und g, identifiziert werden. Durch Integration über die gemeinsame Verteilungsfunktion dieser beiden Parameter, die aus der DNS ermittelt wird, soll die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der vier verschiedenen Reaktionsstrukturen in einzelnen Gebieten der Freistrahlflamme berechnet werden. Diese Analyse wird auf Flammen von praktischem Interesse erweitert, die andere Turbulenz-Eigenschaften und eine andere Verdünnung haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Norbert Peters, bis 7/2015 (†)