Detaillierte Analyse und Modellierung stratifizierter Verbrennung mit Grobstruktur-Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Kempf
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393710272

Emissionsarme Brenner nutzen turbulente Vormischflammen, die als dünne Schicht durch das Brennstoff-Luftgemisch voranschreiten - z.B. in Gasturbinen, Ottomotoren oder Heizanlagen. Raumknappheit, Regelbarkeit und Sicherheit beschränken das Volumen der Vormischstrecke und damit die Homogenität des Gemischs. Diese Inhomogenität kann zu erhöhten Schadstoffemissionen führen, die Flamme aber auch stabilisieren und thermoakustische Schwingungen mildern. In Verbrennungsmotoren ermöglicht die Schichtung (Stratifizierung) sogar niedrigere globale Äquivalenzverhältnisse bei zugleich vollständiger Verbrennung, da die Schichtung die Flamme beschleunigt - einerseits durch Modifikation der Flammenstruktur, andererseits durch Vergrößerung der Flammenfläche: Brennt die Flamme aus einem stöchiometrischen in ein mageres Gemisch ("back supported"), diffundieren Wärme und Radikale in das unverbrannte Gemisch, welches eigentlich "zu mager zum Brennen" wäre. Die Vergrößerung der Flammenfläche resultiert aus der variablen Flammengeschwindigkeit, da die Flamme sich zunächst schnell entlang "stöchiometrischer Autobahnen" ausbreitet, bevor sie von diesen mit "back support" langsam in das magere Gemisch hineinbrennt.Die geschichtete Verbrennung wurde in Experimenten und Simulationen untersucht, die in der direkten numerischen Simulation (DNS) von Chen, den Experimenten von Dreizler und Hochgreb, und deren jeweiligen Mitarbeitern gipfelten. Während die DNS noch nicht an Experimenten validiert oder zur Modellentwicklung genutzt wurde, sind für beide Experimente viele Grobstruktur-Simulationen (LES) durchgeführt worden. Allerdings konzentrierten sich diese LES auf die Flamme stromauf der Schichtungszone, was die Auswirkungen der Schichtung weitgehend vernachlässigte - und das trotz der Verfügbarkeit wertvoller Geschwindigkeits- und Speziesdaten aus aufwendigen Messungen in Darmstadt, Cambridge und den Sandia-Labors.Der vorliegende Antrag zielt darauf ab, die Kluft zwischen der DNS, der LES und den Validierungsexperimenten zu schließen, um tiefe, validierte Einblicke in die Physik zu ermöglichen und daraus validierte Modelle zu entwickeln. Dazu soll eine DNS der Cambridge-Flamme durchgeführt, an Experimenten validiert und schließlich analysiert werden, um neue Modelle zu entwickeln, die in einer LES des identischen Falls getestet werden. Diese Kombination aus DNS, LES und Experiment zur Entwicklung validierter Verbrennungsmodelle erfordert enorme, gerade erst verfügbare Rechenleistung - die Machbarkeit wurde aber von Proch, Domingo, Vervisch und Kempf demonstriert und jüngst in "Combustion and Flame" veröffentlicht.Das vorliegende Projekte soll tiefe Einblicke in die Physik der geschichteten Verbrennung gene- rieren, sie in einem Regime-Diagramm darstellen und genauere, validierte Simulationsmodelle bereitstellen. Letztlich sollen so Brennkammern verbessert werden, um höhere Effizienz zu erreichen und den Schadstoffausstoß mit fossilen wie Biobrennstoffen zu senken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Nilanjan Chakraborty