Identifikation, Modellierung und Kontrolle nichtlinearer thermoakustischer Instabilitäten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Lipika Kabiraj
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 248884514

Viele technische Verbrennungssysteme, wie sie zum Beispiel in stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken zu finden sind, neigen zur Entwicklung von spontanen Druck- und Wärmefreisetzungsschwankungen. Diese werden durch eine Interaktion zwischen den akustischen Moden der Brennkammer und der instationären Wärmefreisetzung der Flamme hervorgerufen. Selbsterregte thermoakustische Schwingungen führen zu außerordentlichen Lärmpegeln, erhöhten Schadstoffemissionen (zum Beispiel Stickoxide) und einer reduzierten Lebenserwartung der Brennkammerkomponenten. In Extremfällen können die starken Druckschwankungen sogar zur Zerstörung der Maschine führen. Es ist daher unbedingt notwendig, thermoakustische Instabilitäten in technischen Verbrennungssystemen zu untersuchen und die Entstehungsgrundlagen besser zu verstehen.Untersuchungen in jüngster Zeit haben gezeigt, dass die inhärente Dynamik selbsterregter thermoakustischer Instabilitäten sich nicht auf Grenzzyklusschwingungen beschränkt, wie bisher angenommen. Verschiedene Bifurkationen führen zu komplexen nichtlinearen Phänomenen, einschließlich chaotischer Dynamik. Angesichts dieser grundlegenden Entdeckung bedarf es einer Erweiterung der traditionellen Analyse- und Kontrollmethoden, die in thermoakustischen Systemen zur Anwendung kommen. Der Schwerpunkt des vorliegenden Projektes liegt in der Untersuchung der nichtlinearen Dynamik thermoakustischer Schwingungen und der Entwicklung aktiver Kontrollmethoden, die die Nichtlinearitäten des Systems berücksichtigen. Die drei Ziele des Projektes sind: a) Entwicklung von Methoden zur Identifikation nichtlinearer Merkmale thermoakustischer Schwingungen, b) Entwicklung und Anwendung nichtlinearer, modellbasierter Regelungsverfahren zur Beeinflussung der Bifurkationen und der komplexen nichtlinearen Zustände (periodisch, quasi-periodisch und chaotisch) und c) Untersuchungen zur Verwendung der "describing function" Methode im Hinblick auf komplexe nichtlineare Dynamik und eine Weiterentwicklung zur Anwendung über einfache Grenzzyklusschwingungen hinaus.Das vorliegende Projekt stellt nicht nur eine grundlegende Untersuchung eines interessanten, natürlich auftretenden nichtlinearen Schwingungsprozesses dar sondern ist auch von hoher Bedeutung für eine der größten Problemstellungen in der Gasturbinenindustrie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit