Dünnbesetzte Partikelmethoden für Sprayverbrennung

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kronenburg
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390544712

Turbulente Sprayverbrennung soll mit Hilfe stochastischer Partikelmethoden modelliert werden. Stochastische Partikelmethoden eignen sich für die Modellierung von Zwei-Phasen-Strömungen, wenn die erste (Träger-) Phase als Kontinuum verstanden und die zweite Phase durch diskrete Brennstofftropfen repräsentiert werden kann. Dies ist in den meisten Brennkammern nach dem primären Strahlaufbruch der Fall, und die Erhaltungsgleichungen der dispersen (Brennstoff-) Tropfen können mit einer Lagrange Formulierung beschrieben werden. Zusätzlich soll die gemeinsame Verteilungsfunktion (PDF) der Stoffzusammensetzung mit einer partikelbasierten Monte Carlo Methode approximiert werden. Jedes Monte Carlo Partikel repräsentiert eine instantane, lokale Lösung eines Fluidelementes. Die Schließungsprobleme klassischer Momentenmethoden werden umgangen, denn der chemische Quellterm liegt in geschlossener Form vor, und partikelbasierte Ansätze eignen sich somit hervorragend für die Modellierung reagierenden Zweiphasenströmungen. Die Erhaltungsgleichungen für das Geschwindigkeitsfeld werden im Eulerschen Bezugssystem mit Hilfe einer Grobstrukturanalyse gelöst. Die Besonderheit des beantragten Projekts ist die Verwendung einer dünnbesetzten Partikelmethode (sparse particle method) für die Berechnung der PDF der Stoffzusammensetzung. Während eine standardmäßige Implementierung einer PDF-Methode ca. 20-50 Partikel pro LES-Zelle erfordert und deshalb extrem rechenaufwändig sein kann, kann die Partikelanzahl bei einer dünnbesetzten Partikelmethode auf weniger als 1 Partikel pro 10 LES-Zellen verringert und Simulationszeiten können für Simulationen mit recht komplexer Chemie um bis zu 2 Größenordnungen reduziert werden. Die Modellierung der Massen- und Wärmeübertragung zwischen Brennstofftropfen und Gasphasen-(PDF/Monte Carlo)-Partikeln ist allerdings eine besondere Herausforderung, die neue Modellierungsansätze erfordert. Modellierungsstrategien können nicht einfach von Standard-PDF Methoden übernommen werden. Verschiedene Alternativen für die Modellierung sind in der ersten Förderperiode untersucht und mit Hilfe von direkten numerischen Simulationen (DNS) einfacher tropfenbeladener Scherströmungen validiert, da nur die DNS eine explizite Analyse (und Trennung) der Partikelzuordnung (Zuordnung des Brennstofftropfens zum PDF/Monte Carlo-Partikel für die Gasphase) und der Mischungszeiten erlaubt und so die Modellentwicklung erleichtert. MMC-LES realer Sprayflammen zeigen allerdings noch immer Unterschiede zu experimentellen Daten, da reale Sprayflammen gewöhnlicherweise von der in der ersten Förderperiode idealisierten nicht-vorgemischten Verbrennung stark disperser Sprays abweichen. So sollen nun die Schließungsansätze in der zweiten Förderperiode für unterschiedliche Prozessbedingungen wie partiell-vorgemischte Verbrennung und dichte Sprays erweitert und anhand der zur Verfügung stehenden Messdaten validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen