Numerische Simulation turbulenter Verbrennungsvorgänge in Raketenbrennkammern bei flüssiger Sauerstoffeinbringung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines numerischen Verfahrens zur dreidimensionalen Simulation der Verbrennungsvorgänge in Raketenbrennkammern. Im hier betrachteten Fall wird der Oxidator in flüssiger Form eingebracht, der Brennstoff liegt gasförmig vor. Wichtige zu beschreibende Phänomene umfassen unter anderem kryogene Treibstoffe, sub- und supersonische turbulente Mehrphasenströmung und turbulente Verbrennung. Aufbauend auf einem dreidimensionalen RANS-Code für reaktive Strömung mit detaillierter Chemie wurde ein Partikel-Tracking-Verfahren entwickelt. Mit dieser gemischten Euler/Lagrange-Betrachtungsweise lässt sich Sprayverdunstung mit und ohne Verbrennung in turbulenter Strömung im gesamten Machzahlbereich berechnen. Sowohl das Lagrange- als auch das Euler- Modul sind zum Einsatz auf Großrechnern parallelisiert. Ein Assumed-PDFModell zur Beschreibung der Turbulenz-Reaktions-Wechselwirkung wurde implementiert. Neben einer Vielzahl an Benchmarkfällen, die zur Validierung von Teilaspekten der Modellierung verwendet wurden, wurden abschließend die Vorgänge in einer Modellbrennkammer simuliert. Ein Vergleich mit experimentellen Daten zeigte in vielen Bereichen qualitativ gute Übereinstimmung. Die Maximaltemperatur in der Flamme wurde teilweise überschätzt, was zu einer verstärkten Gasexpansion und einer etwas verlängerten Reaktionszone geführt hat. Dieser Sachverhalt wird auf Defizite im Assumed-PDF-Modell zur Beschreibung der Wechselwirkung von Turbulenz und Reaktionskinetik zurückgeführt. Ein möglicher Ansatz, um diesem Problem beizukommen, besteht darin, die Modellierung des turbulenten Transports über variable Prandtl- und Schmidt-Zahlen zu erfassen. Anschließende Arbeiten sollten in diese Richtung zielen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- S. Hildenbrand, S. Staudacher, D. Brüggemann, F. Beyrau, M.C. Weikl, T. Seeger, A. Leipertz. High-Pressure Gasoline Direct Injection Spray: Comparison of Simulation and Experiments. In European Combustion Meeting, Louvain-la-Neuve, 2005.
- S. Staudacher, S. Hildenbrand und D. Brüggemann. An Implicit Scheme for Turbulent Combustion Employing Assumed PDFs. AIAA-paper 2006-1447, Reno, NV, 2006.
