Vorhersage von Flammentransferfunktionen von Drall- und Strahlflammen II

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kilian Oberleithner; Professor Wolfgang Polifke, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Akustik ; Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441269395

Die Vorhersage und Kontrolle von thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten (TCIs) stellt die Entwicklung effizienter magerer vorgemischter Verbrennungssysteme vor große Herausforderungen. Ein integraler Bestandteil für TCI-Modelle ist die Flammentransferfunktion (FTF), die die Reaktion der Flamme auf akustische Anregung darstellt. Im SWJET-Projekt werden wir eine holistische Methodik zur Bestimmung der FTF und der damit verbundenen Strömungs- und Flammendynamik aus den zugehörigen, um einen Grundzustand linearisierten Gleichungen (d.h. zeitgemittelte Verteilungen von Strömungsvariablen der ungestörten turbulenten Flamme) entwickeln. Dieser Ansatz wurde von Avdonin et al., Proc.Comb.Inst.2019 untersucht. Dabei wurden bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt, aber die Studie beschränkte sich auf ein-Schritt-Chemie basierte, laminare Flammen. Zentrales Ziel des SWJET-Projekts ist es, den Anwendungsbereich von LRF-Solvern auf komplexere Reaktionsmechanismen und turbulente Flammen auszuweiten. Das SWJET-Projekt ist in drei Arbeitsbereiche (WA) gegliedert. WA 1 wird sich auf laminare Flammen konzentrieren. Chemiemodelle von höherer Komplexität werden in den linearisierten Solver integriert. Die auf den linearisierten Gleichungen basierende Flammendynamik wird anhand nichtlinearer numerischer Simulationen von angeregten Flammen validiert. WA 2, das den Kern dieses Projekts bildet, wird die Anwendbarkeit der linearisierten Methoden auf turbulente reagierende Strömungen untersuchen und die Ergebnisse gegen LES einer turbulenten Strahlflamme validieren. Die linearen Methoden werden angewendet, um die Antwort von Strömung und Flamme auf akustische Anregung vorherzusagen und das Verständnis der relevanten physikalischen Mechanismen zu verbessern. In WA 3 wird die Methodik von WA 2 auf eine turbulente Drallflamme angewendet.Beide Arbeitsgruppen haben wesentlich zum Stand der Forschung zur Analyse und Modellierung der Flammendynamik beigetragen. Dabei liegt die Expertise der TUB in der Beschreibung der Dynamik in hoch turbulenten reagierenden Strömungen. Die Gruppe an der TUM hingegen hat umfangreiche komplementäre Erfahrungen mit linearisierten Methoden für reaktive laminare Strömungen gesammelt. Die linearisierten Solver beider Institute werden im Rahmen des Projekts zusammengeführt, was aufgrund derer komplementären Stärken die in diesem Antrag dargelegte Forschung vorantreiben wird. Die Methoden die in SWJET entwickelt werden sollen stellen einen Meilenstein in der Verbrennungswissenschaft dar, da sie neue Wege zur Analyse und Kontrolle der Flammendynamik im Allgemeinen und der TCIs im Besonderen eröffnen. Das SWJET-Projekt wird von der FVV mit 24% kofinanziert, womit die Personalkosten von WA 3 gedeckt sind. Die Projekte profitieren zudem von einem weiteren, experimentellen FVV-Projekt an der TUB, das empirische Daten für die Modellvalidierung der turbulenten Strahl- und Drallflammen liefert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen