Regimeübergreifende Verbrennung unter technisch-relevanten Bedingungen: Experimentelle und numerische Unterschung von thermochemischen Zuständen und Flammenstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dreizler; Professor Dr.-Ing. Dirk Geyer; Professor Dr. Christian Hasse
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325144795

Verbrennungsvorgänge in laminaren und turbulenten Flammen werden in vorgemischte und nichtvorgemischte unterteilt. Die beiden Grenzfälle wurden in der Vergangenheit umfangreich experimentell untersucht sowie mittels verschiedener Modelle entweder als vorgemischte oder als nichtvorgemischte Flammen beschrieben. Neben diesen Grenzfällen wurden auch stratifizierte und partiell vorgemischte Flammen untersucht, die jedoch als Vormisch- oder Diffusionsflammen modelliert wurden. Nach wie vor offen ist jedoch eine Modellierung von Flammen, die weder als Vormisch- noch als Diffusionsflammen beschrieben werden können (regimeübergreifende Modelle). Solche regimeübergreifenden Flammen kommen in einer Vielzahl von Verbrennungssystemen (Gasturbinen, Motoren) vor. Bisherige Untersuchungen für regimeübergreifende Flammen haben gezeigt, dass sich die lokalen Flammenstrukturen signifikant von den beiden Grenzfällen unterscheiden. Aktuell existiert kein Modell für die LES, das neben den Grenzfällen auch diese Zwischenstrukturen beschreibt. Ebenfalls existieren keine experimentellen Referenzdatensätze, die durch systematische Variation der Randbedingungen einen weiten Bereich der Flammenstrukturen abdecken. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die systematische experimentelle und numerische Untersuchung, Modellierung und Analyse von regimeübergreifender Verbrennung. Das Projekt gliedert sich in 3 Arbeitspakete. Im experimentellen AP1 wird ein Brenner mit sehr gut definierten Randbedingungen zur Erzeugung von Referenzdaten für die regimeübergreifende Verbrennung entwickelt, die Flammenstabilisierung erfolgt über Rezirkulationszonen. Das Verbrennungsregime kann variabel über die Einströmrandbedingungen eingestellt werden. Das kalte Strömungs- und Mischungsfeld wird mit High-Speed PIV und anschließend Raman Streuung charakterisiert. Der thermochemische Zustand wird mit Raman/Rayleigh und erstmals auch mit quantitativen OH-LIF bestimmt. Im numerischen AP2 werden zweidimensionale Flameletgleichungen (formuliert in den Koordinaten Mischungsbruch und Fortschrittsvariable) gelöst. Für die LES und für den Vergleich mit den Experimenten wird eine neuartige Parametrierung über zusätzliche Fortschrittsvariablen anstelle der skalaren Dissipationsraten entwickelt. Das Modell wird zunächst anhand einer Triple-Flamme getestet. Für die LES-Tabellierung werden statistische Informationen aus den experimentell ermittelten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen berücksichtigt. In AP3 werden experimentelle und numerische Methoden zusammengeführt. Als erster Schritt werden die Ergebnisse der LES validiert. Daran schließt sich die Identifikation der Verbrennungsregime an, die eine Analyse des thermochemischen Zustands und von Flammenstrukturen beinhaltet. Hierfür wird ein Verfahren zu gradientenfreien Flammenidentifizierung und -charakterisierung entwickelt. Im gesamten Projekt ist eine enge Zusammenarbeit mit Prof. Vervisch geplant, für den ein Mercator Fellowship beantragt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen