Simulation und Modellierung turbulenter Verbrennung von Brennstoffgemischen mit hohem Wasserstoffanteil

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277815585

Stationäre Gasturbinen nehmen in der heutigen Energieversorgung eine wichtige Rolle ein, und werden in der Zukunft, insbesondere aufgrund ihrer Lastflexibilität und Schnellstartfähigkeit, weiterhin an Bedeutung gewinnen. Vor dem Hintergrund des Bestrebens nach erneuerbarer Energie und sauberer Nutzung fossiler Brennstoffe wird dabei der brennstoffflexible Betrieb von Gasturbinen, besonders die Anreicherung des Brennstoffs mit Wasserstoff, zu einem wichtigen Thema in Forschung und Technologie. Beispiele hierfür sind die Verwendung von Wasserstoff als Energiespeicher und die Verbrennung von Synthesegas im sogenannten Kombi-Prozess mit integrierter Vergasung (IGCC). Die Anreicherung von Brennstoffen mit einem hohen Anteil an Wasserstoff führt aber für die bei stationären Gasturbinen typische magere Verbrennung zu einer erheblichen Veränderung der Verbrennungseigenschaften. Dies kann in Gasturbinenbrennkammern zu erhöhtem Verbrennungslärm, Flammenrückschlag und ungewollten Verbrennungsinstabilitäten bis hin zum komplettem Maschinenversagen führen. Hier spielen vor allem thermo-diffusive Instabilitäten, ausgelöst von der differentiellen Diffusion des Wasserstoffs, eine wichtige Rolle und können zu einer vollkommen veränderten, zellularen Flammenstruktur mit lokalen Verlöscherscheinungen führen. Der vorliegende Projektantrag befasst sich folglich mit der Verbrennung von Brennstoffgemischen mit hohem Wasserstoffanteil (High Hydrogen Content, HHC). Ziel ist es, computergestützte Simulationen turbulenter Verbrennungsvorgänge in Brennkammern unter Berücksichtigung der im brennstoffflexiblen Betrieb auftretenden Effekte zu ermöglichen. Solche Simulationen nehmen heute einen wichtigen Stellenwert in der Entwicklung und Optimierung von Gasturbinen ein. Eine besondere wissenschaftliche Herausforderung in der Modellierung besteht hier darin, dass das komplexe Zusammenspiel von Flammenstruktur, differentieller Diffusion, thermo-diffusiver Verbrennungsinstabilitäten und Turbulenz nicht hinreichend verstanden ist. Im Rahmen dieses Projekts sollen diese Phänomene daher mittels direkter numerischer Simulationen (DNS) untersucht werden. Zu diesem Zweck sollen zunächst DNS für die vorgemischte turbulente Verbrennung von Methan/Wasserstoff Gemischen mit unterschiedlichem Wasserstoffanteil durchgeführt werden. Die resultierenden Daten werden mit Hilfe systematischer Analysewerkzeuge a priori und a posteriori ausgewertet, um einige wesentliche Fragen, beispielsweise in Bezug auf Flammenstruktur, Brenngeschwindigkeit und den Einfluss thermo-diffusiver Instabilitäten auf die Turbulenz, zu klären. Arbeitshypothese ist, dass die Verbrennung von HHC Brennstoffen durch geeignete Multi-Skalar Modelle beschrieben werden kann. Eine entsprechende Formulierung und die Modellierung ungeschlossener Terme sollen durch die systematische Analyse der DNS Daten entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen