Numerische Berechnung der Schadstoffbildung einer mager technisch vorgemischten, turbulenten Flamme mit LEM als Subgrid-Modell für LES.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Mischungsqualität von Brennstoff und Luft in Gasturbinenbrennern hat Einfluss auf wichtige Verbrennungsgrößen, wie Wärmefreisetzung, Flammenfronteigenschaften, Brenngeschwindigkeit, Emissionen und Zeitverzüge. Sie kann daher auch Verbrennungsinstabilitäten begünstigen, die sich bei einer Kopplung von Wärmefreisetzungs- und Druckschwankungen ausbilden. Somit ist es essentiell, turbulente Mischungsvorgänge modellieren zu können und ihren Einfluss auf Strömungs- und Verbrennungsvorgänge zu verstehen. Das vorliegende Projekt behandelte in der ersten Phase die Untersuchung von Mischungsvorgängen in einem Drallbrenner unter Verwendung von numerischen Strömungsberechnungen. Weitergehend wurde die Auswirkung von Schwankungen im Brennstoff-Luft-Verhältnis auf Flammeneigenschaften und Emissionen mit einem eindimensionalen turbulenten Modell berechnet. In der zweiten Projektphase gewährten experimentelle Untersuchungen an einem Staukörper-Brenner einen tieferen Einblick in das Thema und untermauerten die Resultate der eindimensionalen Berechnungen. Die zweite Phase konzentrierte sich auf die Entwicklung und Implementierung eines neuartiger Kopplungsansatzes für ein Subgrid-Verbrennungsmodel, das das eindimensionale Turbulenzmodell der ersten Phase (Linear-Eddy-Modell) mit Large Eddy Simulationen koppelt. Dieses Modell wurde abschliessend auf die Brennerkonfiguration der Experimente angewandt, um dessen Vermögen zu testen, Flammeneigenschaften wiederzugeben. Die Untersuchungen am Drallbrenner zeigten, dass die Position der Brennstoffeindüsung einen großen Einfluss auf die Mischungsqualität als auch die Flammmenform und -position hat. Axialsymmetrische Anregung der mittleren Strömung führte zu einer Überlagerung mit der helikalen Struktur der Strömung und beeinflusste so Mischungs- und Strömungsdynamik. Reynoldsgemittelte Simulationen waren in der Lage, wichtige Merkmale qualitativ, für die Mischung sogar quantitativ, wiederzugeben. Bezogen auf das mittlere Strömungsfeld, turbulente Größen und Dynamik haben sich Large Eddy Simulationen als deutlich genauer herausgestellt. Die eindimensionalen Untersuchungen einer turbulenten, mageren Flamme zeigten steigende CO und NO Emissionen sowie Wärmefreisetzungsschwankungen mit steigender Anregungsamplitude. Nichtlineare Effekte bei hohen Amplituden wurden mit Wechselwirkungen und einer Phasenabhängigkeit von Oszillationen im Brennstoff-Luft-Verhältnis und der Brenngeschwindigkeit assoziiert. Außerdem lag ein Dämpfungseffekt der periodischen Anregung auf turbulente Schwankungen vor, der zu einer verminderten Brenngeschwindigkeit führte. Die experimentellen Ergebnisse konnten viele Erkenntnisse der eindimensionalen Berechnungen bestätigen. Nichtlineares Verhalten der Wärmefreisetzungsschwankungen wurden durch die Kopplung mit Brenngeschwindigkeit, Reaktionswärme und Strömungsfeld erklärt. Anregung bei niedrigen Frequenzen bzw. hohen Amplituden verursachten eine Dämpfung der turbulenten Fluktuationen und daraus resultierend einen Anstieg der turbulenten Flammendicke sowie eine Verringerung der Flammenoberflächendichte, welche auf eine Verringerung der Brennrate hinweist. Mit dem Ziel, einige Probleme und Defizite herkömmlicher Verbrennungsmodelle zu überwinden, wurde ein neuartiger Kopplungsansatz vorgestellt, der das eindimensionale Modell als Subgridmodell in Large Eddy Simulationen einbindet. Diese Kopplung verknüpft die thermochemischen Größen des Untergitters mit dem Geschwindigkeits- und Druckfeld des übergeordneten Gitters über eine Geschwindigkeitsdivergenzbedingung. Die Anwendung auf eine Staukörperstabilisierte Flamme zeigt vielversprechende Ergebnisse, die Flammenfrontcharakteristika sowie Emissionen in guter Übereinstimmung mit Messergebnissen wiedergeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Numerical studies on the impact of equivalence ratio oscillations on lean premixed flame characteristics and emissions”, In Seventh International Conference on Computational Fluid Dynamics (ICCFD7), Big Island, Hawaii, July 9-13, 2012, ICCFD7-3401, 2012
C. Schrödinger, C. Paschereit, and M. Oevermann
- “Experimental investigations of the impact of equivalence ratio oscillations on a bluff body flame”, In Proceedings of the European Combustion Meeting, June 25-28, 2013, Lund, Sweden, 2013
C. Schrödinger, D. Nolte, M. Oevermann, and C. Paschereit
- “Numerical studies on the impact of equivalence ratio oscillations on lean premixed flame characteristics and emissions”, Combustion Science and Technology , 186(10-11):1392–1409, 2014
C. Schrödinger, C. O. Paschereit, and M. Oevermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/00102202.2014.934610)
