Numerische Untersuchung der Richtmyer-Meshkov Instabilität reaktiver Gasgemische

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nikolaus Andreas Adams
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326472365

Die Interaktion eines Verdichtungsstoßes mit einer Blase aus einem reaktionsfähigen Gasgemisch initiiert Richtmyer-Meshkov-Instabilitäten und chemische Reaktionen. Bei inerten Stoß-Blasen-Wechselwirkungen (SBI) wird Wirbelstärke durch barokline Produktion an der Grenzfläche depo-niert. Der Stoß wird an der Grenzfläche transmittiert und reflektiert. Für eine Schwergasblase in leichterem Gas fokussiert der transmittierte Stoß am hinteren Pol der Blase und erzeugt einen star-ken Anstieg von Druck und Temperatur. Erzeugte Wirbelstärke führt zu einer starken Deformation der Grenzfläche. Die Strömung entwickelt eine turbulente Mischungszone um die deformierte Grenzfläche. In den letzten Jahrzehnten wurden inerte SBI intensiv untersucht. 1983 haben Haas und Sturtevant mit ihren SBI Konfigurationen für leichte und schwere Gasblasen eine neue Klasse kanonischer Strömungen etabliert. Temperatur- und Druckanstieg infolge des auftreffenden Stoßes eröffnen eine neue berührungsfreie Möglichkeit zur Initiierung einer Reaktion in einem Gasgemisch. Haehn et al. haben in 2012 SBI zur reaktiven SBI erweitert. Sie untersuchten ein stöchiometrisches Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff, verdünnt mit Xenon, und fanden, dass mit zunehmender Stoß-Machzahl die beobachteten Reaktionstypen von Deflagration zu Detonation wechselten. Der komplexe experimentelle Aufbau von Haehn et al. impliziert signifikante Unbestimmtheiten, z.B. variierte die Damköhlerzahl mit ca. 50%, und bei der kleinsten untersuchten Stoßmachzahl wurde in 30% der Experimente keine Reaktion beobachtet. Es ist klar, dass ohne begleitende numerische Simulationen das Verständnis von RSBI nur unvollständig sein kann. Zwei Ziele werden mit dem vorliegenden Projekt verfolgt. Basierend auf den Vorarbeiten zielen wir zunächst auf systematische Untersuchungen der Unbestimmtheiten impliziert durch Anfangsdaten und Verbrennungsmodell. Wir identifizieren typische Messgrößen, wie z.B. die Mischungsrate, die Enstrophie und Zwischenpro-dukte der Reaktion, und verwenden nichtintrusive Methoden zur Unbestimmtheitspropagation für Anfangsdaten. Wir untersuchen die Vorhersagequalität verschiedener Reaktionsmechanismen. Die Unbestimmtheitsvorhersage für die Anfangsdaten erlaubt uns auch experimentelle Imperfektionen im Vergleich zu den nominellen Bedingungen abzuschätzen. Dreidimensionalen Untersuchungen sind das zweite Ziel, mit dem erstmals eine quantitative Vorhersage der Experimente von Haehn et al. erreicht werde soll. Es kann ermittelt werden, wie dominante Mischungs- und Reaktionsmecha-nismen und Blasendeformationen sich vom idealisierten zweidimensionalen Fall unterscheiden und wie diese Unterschiede zu experimentellen Unbestimmtheiten in Beziehung zu setzen sind. In einer möglichen zweiten Förderphase soll die Komplexität hinsichtlich der Beziehung zu Ingenieuranwen-dungen weiter erhöht werden, z.B. durch die Betrachtung reagierender Cluster wechselwirkender Blasen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen