Modellierung differentieller Diffusion in Vormischflammen mit Hilfe dünnbesetzter Partikelmethoden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Geyer; Professor Dr. Andreas Kronenburg
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 551953602

Die Anforderung nach Klimaneutralität erfordert einen Wandel hin zu erneuerbaren, CO2-neutralen Energieträgern. Vor diesem Hintergrund nimmt Wasserstoff als Energieträger der Zukunft eine Schlüsselfunktion ein, da er sowohl ein Speichermedium als auch ein Energieträger ist und eine effiziente Kopplung der verschiedenen Energiesektoren bei einer teilweisen Nutzung bestehender Infrastruktur ermöglichen kann. Allerdings unterscheiden sich die Eigenschaften der Wasserstoff-Verbrennung deutlich von denen der Verbrennung des konventionell genutzten Erdgases, unter anderem in Bezug auf Flammengeschwindigkeiten und Stabilisierungsmechanismen, was in erster Linie auf die erhöhte molekulare Diffusion des Wasserstoffs zurückzuführen ist. Ähnliche Problematiken ergeben sich ebenfalls bei einer Wasserstoffbeimischung zu konventionellen oder auch alternativen CO2-neutralen Brennstoffen wie Erdgas bzw. Ammoniak. Deshalb ist für die Brennerentwicklung die Möglichkeit einer genauen, computergestützten Vorhersage der Diffusionseffekte essenziell, und das Ziel dieses Forschungsantrags ist die detailgetreue Modellierung differentieller Diffusion in turbulenten, vorgemischten Flammen. Hierfür soll eine stochastische Partikelmethode weiterentwickelt werden, die es ermöglicht, detaillierte chemische Mechanismen bei moderatem numerischem Aufwand für die Simulation turbulenter Flammen zu berücksichtigen. Erste Ansätze für die Modellierung differentieller Diffusion in nicht-vorgemischten Flammen sind vielversprechend, eine direkte Übertragbarkeit auf die vorgemischte Verbrennung ist allerdings aufgrund der fundamental unterschiedlichen Flammendynamik nicht gegeben. Die Modellentwicklung wird sowohl durch direkte numerische Simulationen fetter, stöchiometrischer und magerer Wasserstoffflammen als auch durch eigens konzipierte experimentelle Untersuchungen an Laborflammen unterstützt, die den wesentlichen Parameterbereich abdecken und eine Validierung der Modellierung über einen weiten Bereich an Äquivalenzverhältnissen und Turbulenzintensitäten sicherstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Thorsten Zirwes