Zündung in turbulenten Mischungen mit großen Lewis-Zahlen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Hasse
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411275182

Die erzwungene turbulente Zündung einer vorgemischten, brennbaren Gasmischung ist für technische Systeme wie beispielsweise Ottomotoren und Gasturbinen, aber auch für Naturereignisse, wie Feuer und Explosionen, relevant. Es ist daher wichtig, die Dynamik der Entwicklung von Zündkernen (IKE) in turbulenten Strömungen zu verstehen, um dieses Wissen für die Verbesserung von technischen Geräten und zuverlässige Kontrolle von Feuer und Explosionen einzusetzen.Eine kontrollierte, erzwungene Zündung (z. B. durch Zündfunken) besteht aus vier Phasen: Zündkernbildung, Zündkernwachstum, Übergang von Zündkern zu selbst-erhaltenden Flammenkern und Flammenkernwachstum bis zur Flammenstabilisation. Für die erzwungene Zündung von Gasgemischen ist die klassische Ansicht, dass Turbulenz die Zündung erschwert (Kernel Dissipation, KD). Dabei wird jedoch oft vernachlässigt, dass Turbulenz während des Zündkernwachstums diesen auch streckt und krümmt (Kernel Stretch, KS). Entgegen der klassischen Ansicht wurde kürzlich für Le>1 experimentell beobachtet, dass Turbulenz erzwungene Zündung unterstützt. Es wurde die Hypothese formuliert, dass Turbulenz-induzierte KS Effekte Zünd- und Flammenkerne mit einer Bandbreite von positiver und negativer Streckung erzeugen. Da für Le>1 negative Streckung in Verbindung mit differenzieller Diffusion Flammen stärkt, könnte dies die experimentelle Beobachtung erklären. Diese wichtige Erkenntnis wurde bislang jedoch noch nicht mit entsprechenden vollaufgelösten Simulationen untersucht, die den genauen Einfluss der Turbulenz auf IKE bei Le>1 aufklären können. Deshalb ist das Verständnis für die Turbulenz/Zündkerninteraktion für erzwungene Zündung eine offene wissenschaftliche Fragestellung. Diese Lücke zu schließen ist das Hauptziel des hier beantragten Forschungsvorhabens.Das Projekt ist eine enge Zusammenarbeit zwischen der TU Darmstadt (TUD) und der Peking University (PKU). An der PKU werden direkte numerische Simulationen (DNS) mit detaillierter Chemie von erzwungenen Zündungsproblemen durchgeführt und analysiert, um ein detailliertes Verständnis für IKE zu entwickeln. Die DNS-Daten werden an der TUD verwendet, um ein erweitertes Vormisch-Flamelet Modell, welches differenzielle Diffusion, Flammenstreckung und -krümmung darstellen kann, weiterzuentwickeln und zu validieren. Mit diesem Modell werden multidimensionale Flamelet Tabellen erstellt, welche wenigstens mit der Fortschrittsvariable, Flammenstreckung und -krümmung parametrisiert sind. Die Tabellen werden mit den Strömungslösern für turbulente, erzwungene Zündung an beiden Instituten gekoppelt: Flamelet-DNS (PKU) und Flamelet-LES (TUD) und die Ergebnisse werden mit den DNS Daten mit detaillierter Chemie verglichen. Zusammenfassend ist es das Ziel dieses Projektes, zum Verständnis von IKE in turbulenten Strömungen beizutragen und effiziente Modellierungsansätze für das Design von hocheffizienten und emissionsarmen Verbrennungsmaschinen zu erarbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Zheng Chen, Ph.D.