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Projekt
Entwicklung und Anwendung eines simulationsbasierten Designprozesses für brennstoffflexible Brenner mittels additiver Fertigung
Antragsteller
Dr.-Ing. Joachim Beeckmann; Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch; Professor Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523874889
Für die Transformation zu zukünftigen nachhaltigen Energiesystemen werden brennstoffflexible Brenner benötigt, um den schrittweisen Übergang von Erdgas zu einem wasserstoffbasierten Betrieb zu ermöglichen. Da wasserstoffbasierte Brennstoffe im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffen grundlegend andere Verbrennungseigenschaften aufweisen bestehen für die Entwicklung solcher Brenner erhebliche Herausforderungen in Bezug auf Emissionen und Gemischbildung sowie Flammenstabilität und Flammenrückschlag. Ziel dieses Projekts ist es, die simulationsgestützte Entwicklung industrieller Brennersysteme zu ermöglichen, wobei ein robuster und effizienter Betrieb mit verschiedenen Wasserstoff/Methan-Gemischen im Fokus steht und gleichzeitig die Produzierbarkeit und Sicherheit des Brenners gewährleistet bleiben soll. Diese Herausforderungen sollen hier durch die Kombination von Modellentwicklung und simulationsgestützten Designprozessen mit experimentellen Untersuchungen und innovativer additiver Fertigung (AM) bewältigt werden. AM bietet weitreichende Freiheitsgrade, die für die Entwicklung kompakter, flexibler und sicherer Brenner erforderlich sind. In diesem Projekt wird ein inverser Designprozess entwickelt und zur Demonstration angewandt, mit dem Ziel einen industriellen Brenner im Hinblick auf bestimmte Zielgrößen zu optimieren. Dies beinhaltet Flammeneigenschaften wie Stabilität (Flammenrückschlag und Verlöschen) und Emissionen (NOx, CO) sowie Konstruktionsparameter wie Druckverlust und Wärmebeständigkeit. Eine Herausforderung ist der Bedarf an genauen und effizienten Simulationstechniken für wasserstoffbasierte Brennstoffe, die im Rahmen des Projekts entwickelt werden. Dazu gehören Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Simulationen (RANS), deren Genauigkeit durch Datenassimilation auf Grundlage eines Ensemble-Kalman-Filters unter Verwendung von Large-Eddy-Simulationen und experimentellen Daten verbessert werden soll. Das Experiment liefert Brennstoff-Verbrauchsraten und Eigenschaften von turbulenten Flammen, die erforderlich sind, um thermodiffusive Instabilitäten in das RANS-Modell einzubeziehen. Das assimilierte RANS-Modell wird dann zur Optimierung der Brennergeometrie und der Betriebsstrategien unter Verwendung von adjungierten Sensitivitäten und unter Berücksichtigung der durch AM vorgegebenen Konstruktionsbeschränkungen eingesetzt. Der Designprozess wird mittels AM unter Verwendung parametrischer Modelle des Brenners ermöglicht und es werden weitere Untersuchungen durchgeführt, um die Qualität des AM-gefertigten Brenners zu verbessern. Dazu gehören Optimierungen hinsichtlich dünner Wände, filigraner Merkmale und erreichbarer Überhangwinkel. Dies ist insbesondere bei hochtemperaturbeständigen Materialien von Bedeutung. Zusammenfassend wird der hier verfolgte interdisziplinäre Ansatz durch die Kombination von Verbrennungstechnik und AM den methodischen Rahmen für einen simulationsbasierten Designprozess von brennstoffflexiblen Industriebrennern schaffen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
