Measurement and Computation of Sound Emissions of Swirl Burners with different Burner Exits

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Henning Bockhorn
• Subject Area: Energy Process Engineering
• Term: from 2002 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5469750

Untersuchungsgegenstand des Teilprojektes TP 2 ist der Einfluss kohärenter Strömungsstrukturen auf die Entstehung der Geräuschemission in turbulenten Drallströmungen mit überlagerter Verbrennung. Durch systematische Variation der konstruktiv veränderbaren Brennerparameter wie:- Luftzahl der Vormischung bzw. Gesamtluftzahl,- thermische Leistung,- eingestellte Drallstärke,- Art der Drallerzeugung,- Brennerauslassgeometrie,sollen qualitative und quantitative Aussagen über die Schallintensitäten sowie deren spektrale Verteilung der Strömungen bei unterschiedlichen Brennermerkmalen getroffen werden.Es werden dazu die verschiedenen Mechanismen der Geräuschentwicklung identifiziert, die bei Änderung der Brennerkonstruktion und der damit hervorgerufenen Erzeugung von charakteristischen Wirbelformen und Änderung der Mischungsintensität bei turbulenten, reagierenden Drallströmungen auftreten (Änderung der Radialverteilung der Tangentialgeschwindigkeitskomponente w). Mit unterschiedlichen konstruktiven Ausführungen der Drallerzeugung ergeben sich demnach geänderte radiale Verteilungen der Tangentialgeschwindigkeit mit charakteristischem, turbulenten Mischungs- und Reaktionsverhalten für die jeweiligen Versuchs- bzw. Brennerparameter. Bei dem verwendeten Drallbrenner können daher sowohl einfach als auch doppelt-konzentrisch verdrallte Strömungsfelder bzw. Drallflammen realisiert werden. Der Drall (bei doppelt verdrallter Strömung der äußere Drallerzeuger) kann dabei, bei gleichen geometrischen Abmessungen des Brenners, auf zwei unterschiedliche Arten erzeugt werden: zum einen mittels eines Axialschaufeldrallerzeugers und zum anderen durch Tangentialeinlass.Ein weiteres wesentliches Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung von Korrelationen zwischen der Schallemission - charakterisiert durch die Schallintensität sowie deren spektralen Verteilung - und der Entstehung und Abreaktion kohärenter Strömungsstrukturen. Es ist zu untersuchen, ob die im Strömungsfeld eventuell vorhandenen und abreagierenden kohärenten Strukturen die Geräuschemissionen turbulenter Diffusions- und Vormischdrallflammen verändern bzw. inwieweit sie nicht selbst für die Geräuschemissionen bei Verbrennung im Gegensatz zur Geräuschemission von nicht-reagierenden Fluidstrahlen verantwortlich sind. Für die Untersuchungen unter eingeschlossenen Bedingungen wird eine "passive" Brennkammer entwickelt, die einerseits realistische Randbedingungen für die Untersuchung an eingeschlossenen Drallflammen liefert; andererseits muss bei der Brennkammerentwicklung erreicht werden, dass es bei eingeschlossener Verbrennung nicht zur Entstehung energiereicher, periodischer Druck-/Flammenschwingungen durch resonanzbedingte Rückkopplung kommt. Das Ziel besteht somit in der Entwicklung einer resonanzarmen, "passiven" Brennkammer. Beim numerischen Arbeitsabschnitt werden ebenfalls verschiedene Geometrievarianten zur Drallerzeugung, in Abstimmung mit denen im experimentellen Teil verwendeten Drallbrennern, auf ihr Potenzial zur Geräuschentwicklung untersucht. Als numerisches Verfahren wird hierzu eine kompressible Formulierung der Large-Eddy-Simulation eingesetzt. In einem ersten Arbeitsschritt werden dabei die schon experimentell untersuchten Strömungsfelder der isothermen Freistrahlen berechnet. Hierzu sind zunächst Erweiterungen des vorhandenen inkompressiblen Codes bezüglich der akustischen Randbedingungen vorzunehmen und anhand des Vergleichs mit den experimentellen Daten zu validieren. Ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt in diesem Arbeitsschritt wird auf der brennernahen, bzw. der Strömung im Brenner nahe der Brennermündung liegen. Hier sind in Bezug auf die resultierende Strömung verschiedener Drallerzeuger charakteristische Unterschiede zu erwarten, die für den zweiten Abschnitt der Arbeiten, der Erweiterung der Simulation zur Berechnung lokaler Umsatz- bzw. Wärmefreisetzungsraten, als Grundlage dienen.

• DFG Programme: Research Units
• Subproject of: FOR 486: Combustion Noise Initiative
• Participating Person: Professor Dr.-Ing. Horst Büchner