Influence of Acoustic Forcing on the Transition from Flame Stabilization to Flashback at Channel Exits

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Thomas Sattelmayer
• Subject Area: Fluid Mechanics ; Energy Process Engineering
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 272154358

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Flammenrückschlag in die Vormischzone ist seit der Verwendung vorgemischter Verbrennungssysteme eine Herausforderung in der Entwicklung von Gasturbinenbrennern. Bei der Verwendung hochreaktiver Brennstoffe stellt vor allem Flammenückschlag in den Bereichen niedriger Strömungsgeschwindigkeiten in der Grenzschicht der Brennerwand ein Hauptproblem dar. Treten Verbrennungsinstabilitäten auf, kann Wandrückschlag durch die induzierten Geschwindigkeitsschwankungen am Brenneraustritt ausgelöst werden. Im experimentellen Teil dieses Projekts wurde der Effekt von Geschwindigkeitsschwankungen auf das Wandrückschlagsverhalten turbulenter Wasserstoff-Luft-Flammen in Bezug auf Schwankungsamplitude und -frequenz untersucht. Es kann zwischen zwei Rückschlagsformen unterschieden werden: Bei niedrigen Anregungsamplituden schlägt die Flamme zurück, wenn die minimale Geschwindigkeit während des Oszillationszyklus die Rückschlagsgrenze nicht eingeschlossener Flammen ohne akustische Anregung unterschreitet. Hohe Geschwindigkeitsamplituden führen zu periodischem Stromaufwandern der Flamme in den Brennerkanal hinein. Rückschlag findet statt, wenn die maximale Geschwindigkeit im Oszillationszyklus unter die Rückschlagsgrenze im Kanal eingeschlossener, nicht angeregter Flammen fällt. Da folglich die beiden Grenzfälle der eingeschlossenen und nicht eingeschlossenen Flammen in der Auslegung von Gasturbinenbrennern von großem Interesse sind, wurden im theoretischen Teil dieses Projekts quantitative, semi-analytische Vorhersagemodelle entwickelt und validiert. Grundlage dafür waren qualitative Beschreibungen der Rückschlagsmechanismen, die in vorangegangenen Studien erarbeitet wurden. Zuletzt konnte im numerischen Teil der Arbeit gezeigt werden, dass LES mit detaillierter Chemie eingeschlossene Rückschlaggrenzen von Wasserstoffflammen quantitativ abbilden können. Anhand der Simulationen konnte gezeigt werden, dass bereits vor Auftreten von Flammenpropagation Strömungsablösung auftritt. Des weiteren wurde bestätigt, dass Wandrückschlag dann auftritt, wenn die Ablöseblase deutlich größer ist als der Löschabstand der Flamme.

Publications

• Experimental Investigation of the Transition Mechanism from Stable Flame to Flashback in a Generic Premixed Combustion System With High-Speed Micro-PIV and Micro-PLIF Combined With Chemiluminescence Imaging, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 138, 2015, pp. 021501-1–10
  Baumgartner, G., Boeck, L. R., Sattelmayer, T.
  
• Analytic Prediction of Unconfined Boundary Layer Flashback Limits in Premixed Hydrogen-Air Flames. Combustion Theory and Modelling 21 (3), 2016, 0, pp. 1–37
  Hoferichter, V., Hirsch, C., Sattelmayer, T.
  
• Prediction of Confined Flame Flashback Limits Using Boundary Layer Separation Theory. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2017, 137, pp. 021505-1–10
  Hoferichter, V., Hirsch, C., Sattelmayer, T.
  
• Boundary Layer Flashback in Premixed Hydrogen–Air Flames With Acoustic Excitation. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 140 (5), 2018, 051502 1-9
  Hoferichter, V.; Sattelmayer, T.
  
• Comparison of Two Methods to Predict Boundary Layer Flashback Limits of Turbulent Hydrogen-Air Jet Flames. Flow, Turbulence and Combustion 100 (3), 2018, pp. 849-873
  Hoferichter, V.; Hirsch, C.; Sattelmayer, T.; Kalantari, A.; Sullivan-Lewis, E.; McDonell, V.
  
• Large Eddy simulation of confined turbulent boundary layer flashback of premixed hydrogen-air flames. International Journal of Heat and Fluid Flow 72, 2018, 151-160
  Endres, A.; Sattelmayer, T.