Schadstoffarme Verbrennung durch elektrische Kontrolle

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit, seit 2/2022
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391398589

Verbrennungsinstabilitäten sind weiterhin eine große Herausforderung bei der Entwicklung effizienter und schadstoffarmer Verbrennungssysteme für Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen. Aktuelle Arbeiten zeigen, dass sich Nanosekunden-gepulste (nanosecond repetitively pulsed - NRP) Plasmaentladungen prinzipiell hervorragend für die Kontrolle thermoakustischer Schwingungen eignen. Einige Aspekte, die für die Anwendung in Gasturbinen essentiell sind, wurden in bisherigen Arbeiten jedoch nicht betrachtet: 1.) Verbrennung flüssiger Brennstoffe, 2.) erhöhter Brennkammerdruck und 3.) hochfrequente Transversalmoden. Das Projekt GECCO widmet sich der Untersuchung des Einflusses von NRP Plasmaentladungen auf verbrennungsdynamische Phänomene mit Fokus auf diese drei Aspekte. Hierbei kommen dedizierte Experimente sowie detailgetreue Simulationen zum Einsatz. Um Synergieeffekte in höchstem Maße auszunutzen, wird für alle Arbeitspakete eine gemeinsame Drallbrennerkonfiguration definiert. Für die Grobstruktursimulationen kommt der leistungsfähige AVBP Code zum Einsatz, der vielfache Anwendung in der Berechnung turbulenter Verbrennungsvorgänge in akademischen und industriellen Konfigurationen findet. Der Code wird im Rahmen des Projektes mit einem Modul zur Erfassung des Effektes von NRP Entladungen auf Verbrennungsvorgänge erweitert und wird eine Schlüsselrolle bei der Identifikation der Plasma-Flamme-Akustik Interaktionsmechanismen einnehmen. Der Einfluss von NRP Entladungen auf die Dynamik von Sprayflammen wird durch detaillierte Messungen von Strömung, Spray, Flammenform und Flammenantwort auf akustische Störungen erfasst. Das Potenzial von NRP Entladungen zur Kontrolle hochfrequenter Transversalmoden wird anhand einer azimutal verteilten Plasmaanregung in der Drallbrennerkonfiguration untersucht. Die Flammenantwort auf diese Form der Anregung wird durch in Umfangsrichtung aufgelöste Messungen des akustischen Feldes und der Wärmefreisetzung erfasst. Für die Untersuchung der Plasma-Flamme-Akustik Interaktion bei erhöhten Betriebsdrücken werden Experimente in einem Druckprüfstand durchgeführt. Der Einfluss von NRP Entladungen auf die akustische Flammenantwort sowie die Antwort der Flamme auf niederfrequent modulierte Plasmaanregung werden bei Betriebsdrücken von atmosphärisch bis 10 bar messtechnisch erfasst. Alle experimentellen Untersuchungen werden durch numerische Simulationen begleitet. Diese liefern die gesamte räumlich und zeitlich aufgelöste Feldinformation und erlauben so einen deutlich tieferen Einblick in die grundlegenden Interaktionsmechanismen. Abschließend werden NRP Plasmaentladungen zur Kontrolle akustisch induzierter Schwingungen in den drei Experimenten (Sprayflamme, hochfrequente Moden, erhöhter Betriebsdruck) verwendet. Das Projekt GECCO wird signifikant zum Verständnis dynamischer Plasma-Flammen Interaktion beitragen und gleichzeitig den Weg zur Anwendung in realen Brennkammern deutlich verkürzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Saudi-Arabien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Bénédicte Cuenot; Professorin Dr. Deanna Lacoste; Professor Dr. Thierry Schuller
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jonas Moeck, bis 2/2022