Dünnbesetzte Partikelmethoden für turbulente Vormischflammen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kronenburg
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393542303

Neuere Brennerkonzepte werden überwiegend für magere Vormischverbrennung ausgelegt, eine gesicherte Zündung bzw. eine erhöhte Betriebssicherheit erfordern jedoch oft eine lokale Brennstoffschichtung und führen somit zu Inhomogenitäten im Gemisch. Zusätzlich mag die Forderung nach höheren Durchsätzen und kleineren Brennkammern den Turbulenzgrad so stark erhöhen, dass sich die Flammenstruktur vom sogenannten flamelet - zum thin flame - Regime verschieben kann. Derzeitige Verbrennungsmodelle basieren fast ausschließlich auf der Annahme flamelet-ähnlicher Flammenstrukturen, und kein Modell kann sowohl Brennstoffschichtung als auch Abweichungen vom flamelet-Regime verlässlich vorhersagen.Im hier beantragten Projekt soll die turbulente, vorgemischte Verbrennung mit Hilfe einer partikelbasierten Monte Carlo Methode modelliert werden. Jedes Monte Carlo Partikel repräsentiert eine instantane, lokale Lösung eines Fluidelementes. Diese instantanen Lösungen erlauben es, eine gemeinsame Verteilungsfunktion (PDF) der Stoffzusammensetzung und somit auch die innere Struktur der Flamme zu bestimmen. Die Erhaltungsgleichungen für das Geschwindigkeitsfeld werden im Eulerschen Bezugssystem mit Hilfe einer Grobstrukturanalyse (LES) gelöst. Eine wesentliche Herausforderung stellt allerdings die Modellierung der molekularen und turbulenten Diffusion dar: Bei der Anwendung von gewöhnlichen Mischungsmodellen auf die vorgemischte Verbrennung führt das zu einem unkontrollierten und unphysikalischen Mischen über die Flammenfront hinweg, was eine korrekte Vorhersage der Flammenstruktur und auch der Flammengeschwindigkeit verhindert. 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 Monte Carlo 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 erheblich reduziert werden. Dies wird durch eine Konditionierung des Mischungsoperators auf ein Referenzfeld ermöglicht. Genau dieses Referenzfeld soll nun dafür genutzt werden, das Mischen der Partikel (die Diffusion) als einen mehrstufigen Prozess darzustellen, der ein Mischen über die Flamme hinweg verhindert, und der in der Vorwärmzone die Temperatur der Partikel kontinuierlich erhöht bis es in der Reaktionszone zur Zündung und Wärmefreisetzung kommt.Zuerst sollen die neuen Schließungsansätze mit Hilfe von direkten numerischen Simulationen (DNS) einfacher statistisch eindimensionaler Flammen entwickelt werden. Im weiteren Verlauf des Projekts soll die DNS erst auf Konfigurationen mit Brennstoffschichtung erweitert werden, um anschließend die Modelle auf reale Flammen anwenden und anhand der zur Verfügung stehenden Messdaten validieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen