Verbrennungslärm und Dynamik technisch vorgemischter Flammen
Energieverfahrenstechnik
Strömungsmechanik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Vorhersage thermoakustischer Verbrennungsinstabilitäten, die nach wie vor eine große Herausforderung für die Entwicklung zuverlässiger und emissionsarmer Gasturbinen darstellen, erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen instationärer Wärmefreisetzung, Akustik, Strömungs- und Mischungsstörungen sowie Entropiewellen. Das Transferprojekt zielte darauf ab, das Verständnis der Flammendynamik und der thermoakustischen Wechselwirkungen in technisch relevanten Konfigurationen, insbesondere in technisch vorgemischten Brennkammern, zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden unter anderem experimentelle Datenverarbeitungsroutinen auf der Grundlage von akustischen Messungen und Netzwerkmodellen niedriger Ordnung entwickelt, um eine konsistente Vorhersage der Flammendynamik zu gewährleisten. Des Weiteren wurden hochauflösende Simulationen mit anschließender Systemidentifikation durchgeführt, um die Flammen- und Entropieantworten vorherzusagen. Abschließend wurde ein analytisches Framework vorgeschlagen, um die zugrundeliegende Physik der Entropiewellenerzeugung zu erklären. Die Ergebnisse des Projektes zeigten, dass der etablierte Ansatz zur Bestimmung der Flammendynamik aus Mikrophonmessung nicht auf Prüfstände mit komplexen Elementen wie zusätzlichen akustischen Kommunikationspfaden oder einer Flächenkontraktion am Brennkammerauslass anwendbar ist. Um diese Inkonsistenzen aufzulösen, wurde eine neue Methode entwickelt, die Messungen der Übertragungsmatrix unter reaktiven Bedingungen mit einem Netzwerkmodell niedriger Ordnung kombiniert. Zur Verifikation der vorgeschlagenen Methode wurde das Rolls-Royce Scaled Acoustic Rig for Low Emission Technology (SCAR- LET) unter realistischen Triebwerksbedingungen eingesetzt. Des Weiteren wurde dargelegt, dass die Ausbreitung akustischer Wellen in der Grobstruktursimulation (LES) für die anschließende Systemidentifikation (SI) der Dynamik geschwindigkeitssensitiver, akustisch kompakter Vormischflammen ohne Relevanz ist. Es wurde aufgezeigt, dass die Flammenantwort in Form einer Flammentransferfunktion (FTF) auch ohne der expliziten Modellierung der Akustik-Flamme-Interaktion akkurat vorhergesagt werden kann. Der inkompressible Simulationsansatz weist gegenüber seinem kompressiblen Äquivalent mehrere Vorteile hinsichtlich der Identifikation und der Anforderungen an den Berechnungsprozess auf. Diese Veröffentlichung hat einen langjährigen Streit in der Forschungsgemeinschaft beigelegt! Die Auswertung der Entropietransferfunktion (ETF) an verschiedenen Positionen innerhalb der Brennkammer erlaubte zudem Einblicke in die konvektive Dispersion der Entropiewellen und zeigte signifikante Amplituden am Brennkammerauslass. Die Trennung der Entropieantworten auf Schwankungen des Äquivalenzverhältnisses und der Geschwindigkeit mittels Multiple- Input, Single-Output (MISO) Identifikation belegte die Dominanz von Äquivalenzverhältnisschwankungen, was mit der vorhandenen Literatur übereinstimmte. Es wurde demonstriert, dass Entropiewellen selbst in vollständig vorgemischten Brennkammern generiert werden können, insbesondere durch Wandwärmeverluste, die aus instationärem Wärmeübergang resultieren, sowie überraschenderweise auch durch die differenzielle Diffusion von Wasserstoff. Zur weiteren Untersuchung der Entstehungsmechanismen von Entropiewellen wurde eine konsistente Herleitung der analytischen Terme auf Grundlage der Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) Methode vorgestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Generation of Entropy Waves by Fully Premixed Flames in a Non-Adiabatic Combustor With Hydrogen Enrichment. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 145(11).
Eder, Alexander J.; Dharmaputra, Bayu; Désor, Marcel; Silva, Camilo F.; Garcia, Alex M.; Schuermans, Bruno; Noiray, Nicolas & Polifke, Wolfgang
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Generation of Entropy Waves by Fully Premixed Flames in a Non-Adiabatic Combustor With Hydrogen Enrichment. Volume 3B: Combustion, Fuels, and Emissions. American Society of Mechanical Engineers.
Eder, Alexander J.; Dharmaputra, Bayu; Désor, Marcel; Silva, Camilo F.; Garcia, Alex M.; Schuermans, Bruno; Noiray, Nicolas & Polifke, Wolfgang
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Identification of the dynamics of a turbulent spray flame at high pressure, in Symposium on Thermoacoustics in Combustion, Zurich, Switzerland, 2023
A. J. Eder, A. Fischer, C. Lahiri, M. Merk, M. Staufer, R. Eggels, C. F. Silva & W. Polifke
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Incompressible versus compressible large eddy simulation for the identification of premixed flame dynamics. International Journal of Spray and Combustion Dynamics, 15(1), 16-32.
Eder, Alexander J.; Silva, Camilo F.; Haeringer, Matthias; Kuhlmann, Johannes & Polifke, Wolfgang
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Influence of wall-to-wall radiative heat transfer on premixed flame dynamics, in Symposium on Thermoacoustics in Combustion, Zurich, Switzerland, 2023
M. Désor, A. J. Eder, C. F. Silva & W. Polifke
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Linear and nonlinear flame response prediction of turbulent flames using neural network models, in Symposium on Thermoacoustics in Combustion, Zurich, Switzerland, 2023
N. Tathawadekar, A. Ösün, A. J. Eder, C. F. Silva & N. Thuerey
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Spatially Resolved Modeling of the Nonlinear Dynamics of a Laminar Premixed Flame With a Multilayer Perceptron - Convolution Autoencoder Network. Volume 3A: Combustion, Fuels, and Emissions. American Society of Mechanical Engineers.
Rywik, Marcin; Zimmermann, Axel; Eder, Alexander J.; Scoletta, Edoardo & Polifke, Wolfgang
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A parsimonious system of ordinary differential equations for the response modeling of turbulent swirled flames. Combustion and Flame, 266, 113408.
Doehner, Gregor; Eder, Alexander J. & Silva, Camilo F.
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An Arbitrary Lagrangian–Eulerian framework for the consistent analysis of entropy wave generation. Combustion and Flame, 262, 113334.
Merk, Moritz; Eder, Alexander J. & Polifke, Wolfgang
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Identification of entropy waves in a partially premixed combustor. Proceedings of the Combustion Institute, 40(1-4), 105609.
Eder, Alexander J.; Dharmaputra, Bayu; Garcia, Alex M.; Silva, Camilo F. & Polifke, Wolfgang
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Linear and nonlinear flame response prediction of turbulent flames using neural network models. International Journal of Spray and Combustion Dynamics, 16(3), 93-103.
Tathawadekar, Nilam; Ösün, Alper; Eder, Alexander J.; Silva, Camilo F. & Thuerey, Nils
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Model-Based Inference of Flame Transfer Matrices From Acoustic Measurements in an Aero-Engine Test Rig. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 147(3).
Eder, Alexander J.; Merk, Moritz; Hollweck, Thomas; Fischer, André; Lahiri, Claus; Silva, Camilo F. & Polifke, Wolfgang
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Model-Based Inference of Flame Transfer Matrices From Acoustic Measurements in an Aero-Engine Test Rig. Volume 3A: Combustion, Fuels, and Emissions. American Society of Mechanical Engineers.
Eder, Alexander J.; Merk, Moritz; Hollweck, Thomas; Fischer, André; Lahiri, Claus; Silva, Camilo F. & Polifke, Wolfgang
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Probabilistic machine learning for data-based flame dynamics modeling, in International Conference on Numerical Combustion 2024, Kyoto, Japan, 2024
A. Zimmermann, A. J. Eder, C. F. Silva & W. Polifke
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Spatially Resolved Modeling of the Nonlinear Dynamics of a Laminar Premixed Flame With a Multilayer Perceptron—Convolution Autoencoder Network. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 146(6).
Rywik, Marcin; Zimmermann, Axel; Eder, Alexander J.; Scoletta, Edoardo & Polifke, Wolfgang
