Sparse particle methods for turbulent premixed combustion
Final Report Abstract
Neuartige Verbrennungskonzepte, die im sich derzeitig stark wandelnden Energiemarkt eine gewisse Brennstoffflexibilität bei effizienter und emissionsarmer Verbrennung sicherstellen sollen, werden – aller Wahrscheinlichkeit nach – auf mageren Vormischflammen basieren und zusätzlich eine ausreichende Brennstoffschichtung erfordern, um Flammenstabilität und Betriebssicherheit zu gewährleisten. Durch die gleichzeitig hohen Turbulenzgrade können sich die verschiedensten Verbrennungsregimes einstellen, die mit konventionellen Modellen gar nicht oder nur ungenau abgebildet werden können. Deshalb wurde im Rahmen des Projekts ein Modellansatz untersucht, der keine Annahmen über das Verbrennungsregime trifft. Dieser Ansatz basiert auf einer sogenannten PDF Methode, bei der die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung des lokalen thermodynamischen Zustands mit Hilfe einer stochastischen Partikelmethode berechnet wird. Es müssen allerdings weiterhin Modelle benutzt werden, die molekulares und turbulentes Mischen mit Hilfe einer Mischungszeitskala annähern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Modell für eine Mischungszeitskala entwickelt, die für reine Vormischflammen korrekte Flammenausbreitungsgeschwindigkeiten vorhersagen kann. Dies gilt sowohl für das für stochastische Modelle sehr schwer zu erreichende flamelet-Limit, in der die Flamme einer laminaren Flamme gleicht, als auch für Verbrennungsregimes wie das thin-flame Regime, in denen die Flamme durch die Turbulenz aufgedickt wird und nur noch bedingt mit einer flamelet-Struktur angenähert werden kann. Der Einfluss der Turbulenz auf die Flammenstruktur kann durch eine Blending-Funktion berücksichtigt werden. Für eine Anwendung im Kontext einer LES erfordert die Modellierung des Mischungsterms eine Konditionierung auf ein Referenzfeld. Dies kann eine Reaktionsfortschrittsvariable sein, die durch künstliche Diffusion auf dem LES Gitter aufgelöst werden kann. Es wurde anhand von Simulationen einer Laborflamme gezeigt, dass im Falle einer Stratifizierung des Gemischs ein zweites Referenzfeld, wie beispielsweise der Mischungsbruch oder das Äquivalenzverhältnis, erforderlich ist, um die Flammendynamik korrekt abbilden zu können. Hierfür wurden Mischungsregeln entwickelt, die die gegenseitige Ausrichtung der beiden Referenzfelder berücksichtigt und so zu einer korrekten Vorhersage der Schichtung im Brenner führt.
Publications
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Mixing Time Scale Models for Multiple Mapping Conditioning with Two Reference Variables. Flow, Turbulence and Combustion, 106(4), 1143-1166.
Straub, C.; Kronenburg, A.; Stein, O. T.; Galindo-Lopez, S. & Cleary, M. J.
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Multiple Mapping Conditioning Mixing Time Scales for Turbulent Premixed Flames. Flow, Turbulence and Combustion, 110(2), 395-415.
Iaroslavtceva, Nadezhda; Kronenburg, Andreas & Stein, Oliver T.
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PDF mixing time scales for premixed combustion in the laminar flame limit. Proceedings of the Combustion Institute, 39(2), 2249-2258.
Iaroslavtceva, Nadezhda; Kronenburg, Andreas & Stein, Oliver T.
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“MMC-LES of turbulent premixed flames based on a DNS consistent mixing time scale model”, 31. Deutscher Flammentag, 27-28 Sept. 2023, Berlin, Germany. Abstract accepted.
N. Iaroslavtceva & A. Kronenburg
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“Prediction of Extinction and NOx Formation in Premixed Turbulent Flames Using Multiple Mapping Conditioning”, European Combustion Meeting, 26-28 April 2023, Rouen, France. Accepted
N. Iaroslavtceva, A. Kronenburg & O.T. Stein
