Entwicklung eines integralen Gesamtmodell zur LES Hochdruck Vormischverbrennung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Klein; Professor Dr. Michael Pfitzner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389500470

Primärenergiegewinnung erfolgt nach wie vor häufig durch Verbrennungsprozesse. In vielen technischen Anwendungen, wie Gasturbinenbrennkammern oder aufgeladenen Kolbenmotoren, findet die Verbrennung dabei unter erhöhtem Druck statt. Auf Grund der hohen Energiedichte fossiler Brennstoffe wird es auf absehbare Zeit z.B. zur Fluggasturbine für Verkehrsflugzeuge keine Alternative geben und zumindest mittelfristig wird auch der Kolbenmotor trotz zunehmender Elektrifizierung weiterhin in klassischen oder Hybridantrieben Anwendung finden. Zur Optimierung der Prozessführung sowie zur Reduktion von Entwicklungszeiten und Einsparung von Kosten gewinnt die numerische Strömungssimulation stetig an Bedeutung. Speziell die Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation, LES) ist in den vergangenen Jahren zu einem wichtigen Werkzeug der Strömungssimulation geworden und kommt bereits in ersten Konfigurationen industriell zur Anwendung. Statt einer, wie bisher oftmals üblichen skalenübergreifenden Modellierung, können hier viele physikalische Prozesse aufgelöst werden. Allerdings wurde der Druckeinfluss bei der Entwicklung existierender Verbrennungsmodelle bislang selten berücksichtigt oder die Modelle sind für Hochdruckverbrennung unzureichend validiert. Nicht berücksichtigt bleibt auch das Auftreten hydrodynamischer Instabilitäten bei der Hochdruckverbrennung, die zu stärkerer Faltung von Flammen führen können. Schließlich zeigt sich zunehmend, dass verschiedene zu schließende Modellterme sowohl miteinander als auch mit dem numerischen Verfahren stark interagieren und nicht voneinander losgelöst betrachtet und entwickelt oder gar ausgetauscht werden können. Das globale Ziel des Vorhabens ist somit die Entwicklung und Validierung eines integralen Gesamtmodells zur LES Hochdruck Vormischverbrennung. Das Vorhaben ist in zwei eng verzahnte Projekte unterteilt. Zunächst wird eine DNS Datenbasis geschaffen von turbulenten planaren Flammen und Bunsenflammen bei unterschiedlichen Drücken. Anschließend werden die Daten räumlich gefiltert, um auf diese Weise pseudo-LES Daten zu erzeugen (a-priori Analyse). So können Modellierungsansätze mit ungeschlossenen Termen verglichen und erfolgversprechende Modelle indentifiziert werden. Die Beurteilung eines Modells kann aber letztendlich nur in einer real durchgeführten LES erfolgen, der sogenannten a-posteriori Analyse. Hier setzt der zweite Projektteil an. Die zuvor ausgewählten Schließungsansätze werden in einen LES Strömungslöser implementiert und anhand der DNS Daten und experimenteller Literaturdaten validiert. In der LES zeigt sich dann insbesondere auch die Wechselwirkung unterschiedlicher Teilmodelle. ln einer zweiten Antragsperiode sollen die Analysen und die Modellentwicklung dann auf Situationen mit räumlich variierendem Luft-Brennstoffverhältnis ausgeweitet werden. Geplant ist hierzu der Aufbau einer Vergleichsdatenbasis von DNS Simulationen mit detaillierter Chemie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen