Grobstruktursimulation im Verbund mit Signalverarbeitung, Akustik und Regelungstechnik zur Prüfung der thermo-akustischen Stabilität von Verbrennungssystemen

• Antragsteller: Professor Wolfgang Polifke, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5422032

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt befasste sich mit der Entwicklung und Validierung eines hybriden Ansatzes zur Prüfung der thermo-akustischen Stabilität von Verbrennungssystemen. Dabei wurden Methoden der Strömungssimulation, der Netzwerkmodellierung und der Regelungstechnik kombiniert zur Anwendung gebracht. Ziel des ersten Projektabschnitts war eine Machbarkeitsstudie (”proof of concept”) und die Validierung der Methode am Beispiel eines Rijke-Rohres. Im zweiten Teil wurde der Ansatz anhand eines laminaren Vormischbrenners und am Beispiel eines perfekt vorgemischten, turbulenten Drallbrenners weitergehend validiert. Darüber hinaus wurden die mathematischen Grundlagen der Stabilitätsprüfung von thermo-akustische Systeme mittels Nyquist-Diagramm sorgfältig hinterfragt, um ein tieferes Verständnis für die Grenzen des Verfahrens zu entwickeln. Die in den Validierungs-Studien zum Rijke-Rohr und zum laminaren Vormischbrenner erreichte gute Übereinstimmung mit analytischen bzw. experimentellen Ergebnissen belegt das Potential der Methode. Allerdings muss durch geeignete Platzierung des “Schnittes” im Gesamtmodell und Wahl des Anregungssignals sichergestellt werden muss, dass das Übertragungsverhalten des CFD-Untermodells mit brauchbarer Genauigkeit bestimmt werden kann. Dies ist insbesondere bei der Grobstruktursimulation turbulenter Strömungen zu beachten. Die Untersuchungen zu den mathematischen Grundlagen der Nyquist-Regeln haben wichtige und zum Teil unerwartete Erkenntnisse zu den Grenzen der Anwendbarkeit der Methode generiert. Diskontinuitäten der akustischen Impedanz (z.B. an einer Querschnittsveränderung oder an der Flamme) können zu einer effektiven Entkopplung von Teilen des akustischen Systems und damit einhergehend “lokalisierten Eigenmoden” führen, die im Nyquist-Plot möglicherweise nicht korrekt identifiziert werden. Falsche Aussagen zur Stabilität lokalisierter Eigenmoden können die Folge sein. Hieraus resultieren Einschränkungen zur möglichen Lage der Schnittstelle zwischen CFD- und Netzwerk-Untermodell, die bei der Methodenauswahl und der Modellauslegung zu berücksichtigen sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “CFD-Based Analysis of Thermoacoustic Instabilities by Determination of the Open-Loop-Gain”. 12th Int. Congress on Sound and Vibration, Lisbon, 2005
  J. Kopitz und W. Polifke
  
• “Characteristics-Based Filter for Identification of Planar Acoustic Waves in Numerical Simulation of Turbulent Compressible Flow”. 12th Int. Congress on Sound and Vibration, Lisbon, 2005
  J. Kopitz, E. Bröcker und W. Polifke
  
• “The Rijke tube: a validating journey”. Technical Report, TU Eindhoven / TU München, 2006
  P. Lumens
  
• Numerical eigen-mode analysis of an acoustic-duct system by CFD-OLG and comparison against experiment. In: 6th International Congress on Industrial and Applied Mathematics, Paper GA/CTS4837/12-4550, Zürich, Switzerland, July 2007
  U. Neunert, J. Kopitz, T. Sattelmayer, and W. Polifke
  
• Numerical eigen-mode analysis of an acoustic-duct system by CFD-OLG and comparison against experiment. In: PAMM Proc. Appl. Math. Mech., volume 7, pages 4120003–4120004, Oct 2007
  U. Neunert, J. Kopitz, T. Sattelmayer, and W. Polifke
  
• “A Non Reflecting Boundary Condition using Wave Masking and Characteristics Based Filtering”. 2nd GACM Colloquium on Computational Mechanics, München, 2007
  R. Kaess, A. Huber, W. Polifke
  
• “Kombinierte Anwendung von Strömungssimulation, Netzwerkmodellierung und Regelungstechnik zur Vorhersage thermoakustischer Instabilitäten”. Dissertation, Technische Universität München, 2007
  J. Kopitz
  
• Reconstruction of acoustic transfer matrices from large-eddy-simulations of complex turbulent flows. In 14th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (29th AIAA Aeroacoustics Conference), Paper AIAA-2008-3046, Vancouver, Canada, May 5 – 7, 2008. AIAA/CEAS
  S. Föller, R. Kaess, and W. Polifke
  
• “A Time Domain Impedance Boundary Condition for AVBP”. Internal Report, Lehrstuhl für Thermodynamik, Juni 2008
  R. Kaess
  
• “A time-domain impedance boundary condition for compressible turbulent flow”. 14th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (29th AIAA Aeroacoustics Conference), Vancouver, 2008
  R. Kaess, A. Huber, W. Polifke
  
• “CFD-based Application of the Nyquist Criterion to Thermo- Acoustic Instabilities”. Journal of Computational Physics, Vol 227, 14, Seiten 6754-6778, 2008
  J. Kopitz und W. Polifke
  
• “CFD-based mapping of the thermo-acoustic stability of a laminar premix burner”. Proceedings of the 2008 Summer Program, Center for Turbulence Research, Stanford, 2008
  R. Kaess, W. Polifke, T. Poinsot, N. Noiray, D. Durox, T. Schuller und S. Candel
  
• Determination of acoustic scattering coefficients via LES and system identification. In: Euromech Colloquium 540 ”Large-Eddy Simulation for Aerodynamics and Aeroacoustics”, Munich, Germany, March, 23-25 2009
  S. Föller, R. Kaess, and W. Polifke
  
• Loworder modeling of a side-branch system at low mach numbers. In: 15th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (30th AIAA Aeroacoustics Conference), Miami, U.S.A., 2009
  P. Martínez-Lera, B. Karthik, C. Schram, S. Föller, R. Kaess, and W. Polifke
  
• “Determination of the stability map of a premix burner based on flame transfer functions computed with transient CFD”. Proceedings of the European Combustion Meeting 2009, Vienna
  R. Kaess, T. Poinsot, W. Polifke