Fehlerhafte Quellen von Verbrennungslärm in akustischen Störungsgleichungen

• Antragsteller: Professor Wolfgang Polifke, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Energieverfahrenstechnik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558721881

Thermoakustische Verbrennungsinstabilitäten und Verbrennungslärm behindern die Entwicklung flexibler, zuverlässiger, emissionsarmer und kohlenstoffneutraler Verbrennungstechnologien für die Stromerzeugung und Flugantriebe. Diese Phänomene resultieren aus rückgekoppelten Wechselwirkungen zwischen Strömung, Flamme und Akustik über einen weiten Bereich von Skalen. Ihre Modellierung, Analyse und Vorhersage mit High-Fidelity-Simulationen ist äußerst anspruchsvoll und rechenintensiv. Hybride Ansätze, die die Modellierung großer und kleiner Skalen trennen, können den Rechenaufwand um Größenordnungen reduzieren. Ein solcher hybrider Ansatz sind die Akustischen Störungsgleichungen (APE), die ursprünglich für die Vorhersage von aeroakustischem Lärm entwickelt und später auf reaktive Strömungen verallgemeinert wurden. Wie andere akustische Analogien auch separieren die APE die Gleichungen in einen verallgemeinerten Wellenoperator und Quellterme. Bei der Analyse thermoakustischer Quellen in reaktiven Strömungen im APE-Rahmenwerk wurden zusätzlich zur instationären Rate der Wärmefreisetzung Quellterme von erheblicher Stärke gefunden. Insbesondere die Beschleunigung von Entropiegradienten über die Flammenfront erwies sich als ein signifikanter, sogar dominanter Beitrag zur gesamten Schallemission. Dies steht im Widerspruch zur etablierten Lehrmeinung, wonach fluktuierende Wärmefreisetzung die einzige - oder zumindest die wichtigste - Schallquelle in reaktiven Strömungen ist. Eine zufriedenstellende Lösung dieser Kontroverse wurde bisher nicht vorgeschlagen. Ziel des Vorhabens ist eine Erklärung für diese Befunde zu entwickeln und ihre Konsequenzen herauszuarbeiten. Zur Klärung dieser grundlegenden Frage werden wir unlängst entwickelte Konzepte und Werkzeuge einsetzen, insbesondere die linearisierten Gleichungen reaktiver Strömungen und Lagrange-Eulersche Koordinatensysteme für (thermo-)akustische Quellen. Unsere Forschungshypothese lautet, dass die zusätzlichen Quellen in der APE reaktiver Strömungen in dem Sinne fehlerhaft sind, als dass sie aus einer falschen Darstellung der Flammenbewegung im Rahmen einer Störungsgleichung mit inhomogener Basisströmung resultieren. Wenn die Ergebnisse diese Hypothese bestätigen, muss entweder die Interpretation der Quellterme oder die Formulierung der APE und verwandter Formen von Störungsgleichungen revidiert werden. Wird die Hypothese hingegen widerlegt, müssen zusätzliche Quellen für Störungsenergie in etablierte hybride Ansätze für die Wechselwirkungen von Strömung/Flamme/Akustik eingeführt werden. Das beantragte Vorhaben behandelt wichtige ungelöste Fragen der konsistenten und umfassenden Modellierung thermoakustischer Phänomene. Die Ergebnisse werden unser Verständnis der grundlegenden Physik thermoakustischer Wechselwirkungen verbessern und die weitere Entwicklung physikalisch valider, genauer, ordnungsreduzierter Modellierungswerkzeuge für den Entwicklung nachhaltiger Verbrennungstechnologien unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen