Numerische Analyse der Thermoakustik von Wasserstoff-Luft-Flammen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497570045

In diesem Projekt wird die Thermoakustik mager vorgemischter Wasserstoffflammen numerisch analysiert. Im Fokus stehen die thermoakustischen Quellmechanismen, d.h. neben der Wärmefreisetzung werden die Terme der Schallgeschwindigkeitsschwankungen und Entropiegradienten bestimmt, deren Kenntnis erforderlich ist, um thermoakustische Instabilitäten z.B. im Betrieb von Gasturbinen mit Wasserstoff zu unterdrücken und zukünftig eine kohlenstofffreie und NOx-arme Stromerzeugung zu ermöglichen. Anders als bei der Methanverbrennung treten bei der Wasserstoffverbrennung durch die hohe Diffusivität des Wasserstoffs im Wasserstoff-Luft-Gemisch thermodiffusive Flammenfrontinstabilitäten auf, die durch die verstärkte instationäre Flammenbewegung Schall erzeugen. Da diese Schallerzeugung durch thermodiffusive Instabilitäten für Methanflammen nicht auftritt und bislang unerforscht ist, ist das Ziel dieses Projekts die erstmalige Bestimmung der thermoakustischen Quellmechanismen in Abhängigkeit dieser wasserstoffspezifischen thermodiffusiven Instabilitäten. Die Bestimmung der Thermoakustik setzt eine realitätsgetreue Abbildung der lokalen Flammengeschwindigkeit und damit der thermodiffusiven Instabilitäten voraus. Dies wird in dem Projekt durch direkte numerische Simulation (DNS) unter Berücksichtigung einer detaillierten Chemiemodellierung erreicht. Die thermoakustische Quellanalyse wird mit einem hybriden Ansatz durchgeführt. Aus den DNS-Lösungen werden die thermoakustischen Quellterme berechnet und hinsichtlich ihrer akustischen Emission, die durch die Lösung der akustischen Störungsgleichungen in einer numerischen Aeroakustiksimulation bestimmt wird, evaluiert. Neben den Amplituden sind besonders die Phasen der akustischen Drucksignale der unterschiedlichen thermoakustischen Quellterme von Interesse, um thermoakustische Stabilitätskriterien für die Wasserstoffverbrennung zu entwickeln. In der ersten dreijährigen Antragsphase werden zweidimensionale Wasserstoffflammen berechnet, um einen aussagekräftigen Parameterbereich abdecken zu können. Da das Brennstoffverhältnis einen signifikanten Einfluss auf die thermodiffusive Instabilität hat, werden die thermoakustischen Quellen zunächst in Abhängigkeit vom Brennstoffverhältnis bestimmt. Anschließend werden zusätzlich durch zeitlich harmonische Geschwindigkeitsschwankungen am Einlass angeregte Flammen simuliert und der Einfluss der thermodiffusiven Instabilität auf die thermoakustische Flammenantwort auf Geschwindigkeitsstörungen analysiert. Die Ergebnisse dieses Projekts liefern grundlegende Erkenntnisse zur Vermeidung oder Kontrolle thermoakustischer Instabilitäten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch