FFIT: Einfluss von Fluktuationen des Brennstoffmassenstroms bei thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568773014

Moderne Brennkammern, die in der Lage sind, saubere Brennstoffe wie Wasserstoff, Ammoniak und vergaste Biomasse zu verbrennen und gleichzeitig Brennstoffflexibilität bieten, erfordern eine nicht-steife Kraftstoffeinspritzung. Dadurch ist der Brennstoffzufluss mit Verbrennungsinstabilitäten gekoppelt. Die Entwicklung dieser Brennkammern erfordert daher ein umfassendes Verständnis des Einflusses von Schwankungen des Brennstoffmassenstroms auf die Brennstoff-Luft-Mischung, die Brennerakustik und die Flammenreaktion. Der Forschungsantrag konzentriert sich auf die Untersuchung von thermoakustischen Verbrennungsinstabilitäten, insbesondere auf die Rolle von Fluktuationen des Brennstoffmassenstroms als treibenden Faktor dieser Instabilitäten. Thermoakustische Instabilitäten entstehen durch komplexe Wechselwirkungen zwischen Schwankungen der Wärmfreisetzung und akustischen Wellen in Verbrennungssystemen. Diese Instabilitäten können den Betrieb, die Schadstoffemissionen und Sicherheit von Gasturbinen, Raketentriebwerken und industriellen Verbrennungssystemen erheblich beeinträchtigen. Das Ziel der Forschung ist, die Mechanismen zu verstehen, durch die die Brennstoffmassenstromschwankungen zu thermoakustischen Instabilitäten beitragen und Vorhersagemodelle für das Einsetzen der Verbrennungsinstabilitäten zu entwickeln. Die zentrale Idee dieses Projekts besteht darin, durch akustische Anregung die dadurch in der Kraftstoffzufuhr induzierten Geschwindigkeitsschwankungen für unterschiedliche akustische Impedanzen des Brennstoffsystems zu quantifizieren. Dies ermöglicht ein tieferes Verständnis und die Modellierung des Einflusses des Brennstoffmassenstroms auf den dynamischen Brennstoff-Luft-Mischungsprozess sowie auf die akustischen Eigenschaften des Brenners. Das geplante Projekt zielt darauf ab, den Brenner nicht nur als akustisches Zweitor zu behandeln, sondern die Kraftstoffversorgung in einem akustischen Dreitor zu berücksichtigen. So sollen die Auswirkungen von Fluktuationen des Brennstoffmassenstrom auf die Verbrennungsschwankungen charakterisiert und modelliert werden, um so eine zuverlässige Bewertung thermoakustischer Instabilitäten zu ermöglichen. Dazu wird eine Kombination aus Experimenten und analytischer Modellierung eingesetzt. Das Verständnis der Kopplung von Schwankungen des Brennstoffmassenstroms, akustischen Moden und der daraus folgenden Flammenantwort ermöglicht die Entwicklung von Vorhersagewerkzeugen und die Entwicklung von praktischen Strategien zur Unterdrückung von Verbrennungsinstabilitäten in industriellen Anwendungen. Die Forschungsergebnisse werden der Luft- und Raumfahrt- und Energieindustrie zugutekommen, indem sie die Effizienz und Zuverlässigkeit verbrennungsbasierter Systeme verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen