Krümmungseffekte in laminarer und turbulenter nicht-vorgemischter Verbrennung

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Hasse
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310695286

In Förderperiode 1 des Projektes wurde ein umfassendes Verständnis für Krümmungseffekte in nicht-vorgemischter Verbrennung gewonnen. In 10 qualitätsgesicherten (peer-reviewed) Journal-Publikationen wurde gezeigt, dass krümmungsinduzierte Effekte signifikant die Mikrostruktur laminarer und turbulenter Diffusionsflammen beeinflussen. Neben der Simulation kanonischer laminarer Flammen wurden hierzu direkte numerischen Simulationen (DNS) sich zeitlich entwickelnder turbulenter Jetflammen (H2-Luft, Syngas-Luft) durchgeführt und somit eine umfangreiche Referenzdatenbasis für die Analyse der Krümmungseffekte erstellt. Die Analysen wurden in einem Regime-Diagramm zur Beurteilung von Krümmungseffekten zusammengefasst. Ein methodisches Highlight der Förderperiode 1 stellt das in-situ-Tracking von Gradiententrajektorien (GTs) des Mischungsbruchfeldes in der DNS dar, individuelle GTs bzw. Flamelets können in ihrer räumlichen und zeitlichen Entwicklung verfolgt und analysiert werden. Mit diesen Lagrange‘schen Daten können zentrale Modellannahmen des Flamelet-Konzeptes in turbulenten Flammen evaluiert werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Berücksichtigung der Krümmung in den Flamelet-Gleichungen alleine für die Vorhersage von Krümmungseffekten nicht ausreicht. Die krümmungsinduzierte Tangentialdiffusion entlang von Mischungsbruch-Isoflächen ist im Falle großer Krümmungen der dominierende Effekt, welcher nur von den erweiterten Flamelet-Gleichungen vollständig beschrieben werden kann. In der zweiten Förderperiode soll der Krümmungseinfluss auf die Selbstzündung von nicht-vorgemischten turbulenten Flammen untersucht werden. Im Unterschied zu einer (statistisch) stationären Diffusionsflamme handelt es sich dabei um den vorgelagerten, hoch-transienten Prozess, bei dem sich eine unreagierte (beziehungsweise langsam reagierende) Mischungsschicht nach einer Zündverzugszeit schnell zu einer Diffusionsflamme ausbildet. Experimente und direkte numerischen Simulationen in der Literatur belegen, dass sich Zündkerne entlang von Isoflächen eines bevorzugten Mischungsgrades, der „most reactive mixture fraction“, in Taschen mit niedriger skalarer Dissipationsrate und negativer Krümmung bilden. Krümmungseffekte können somit signifikant die Zündung beeinflussen, bisherige Flamelet-Ansätze haben sich bislang jedoch fast ausschließlich mit dem Einfluss der skalaren Dissipationsrate beschäftigt. Die Erweiterung der Flamelet-Theorie um Krümmungseffekte für stationäre Bedingungen aus Förderperiode 1 ist der Ausgangspunkt für die Modellierung der instationären Selbstzündung nicht-vorgemischter Flammen. Neben der Analyse der DNS-Daten und der Flamelet-Entwicklung wird auch der Übertragung in die LES in der Förderperiode 2 angestrebt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen