Regimeübergreifende Verbrennung unter technisch-relevanten Bedingungen: Experimentelle und numerische Unterschung von thermochemischen Zuständen und Flammenstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dreizler; Professor Dr.-Ing. Dirk Geyer; Professor Dr. Christian Hasse
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325144795

Multiregime-Verbrennung, auch als regimeübergreifende oder Multi-Mode-Verbrennung bekannt, beschreibt Flammen, in denen vorgemischte und nicht-vorgemischte Reaktionszonen in unmittelbarer Nähe zueinander existieren und interagieren. Diese komplexen Flammenstrukturen sind in technischen Systemen die Regel und erfordern detaillierte Untersuchungen, um die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen und zu modellieren. In der ersten Förderperiode (FP1) dieses Projektes wurden bedeutende Fortschritte in der experimentellen und numerischen Charakterisierung der Multiregime-Verbrennung erzielt. Ein neuartiger Multiregime-Brenner (MRB) wurde entwickelt, der eine vollständige optische Zugänglichkeit für die Gemischbildung und Flammenstabilisierung außerhalb des Brenners ermöglicht. Dieses Design umfasst eine Rezirkulationszone, die technisch relevante Stabilisierungsmechanismen nachbildet, wodurch ein breites Spektrum von Multiregime-Bedingungen eingestellt werden kann. Experimentelle Untersuchungen umfassten umfangreiche Charakterisierungen der Strömungs- und Reaktionsfelder mit 1D-Raman/Rayleigh-Spektroskopie, planarer laserinduzierter Fluoreszenz (PLIF), Particle Image Velocimetry (PIV) und Chemilumineszenz. Parallel dazu wurden numerische Simulationen unter Verwendung von Flamelet-Modellen und Large Eddy Simulationen (LES) durchgeführt. Die Einführung der neuartigen Gradient-Free Regime Identification (GFRI)-Methode ermöglichte eine präzise Analyse lokaler Flammenstrukturen und deren Klassifikation in verschiedene Verbrennungsregime. Die zweite Förderperiode (FP2) wird sich auf die Untersuchung von H2-angereicherten, stark verdrallten, eingeschlossenen Flammen konzentrieren. Diese Veränderung bringt zwei neue wissenschaftliche Herausforderungen mit sich: die Wechselwirkung lokaler Reaktionszonen mit der hochverdrallten, turbulenten Strömung und die Auswirkungen differentieller Diffusion auf den lokalen thermochemischen Zustand. Geplante Aktivitäten umfassen: (1) die Durchführung von hochauflösenden Messungen der Flammenstruktur und des thermochemischen Zustands in einem weiterentwickelten Multiregime-Brenner für H2/CH4-Mischungen, (2) die Entwicklung eines 2D-Flamelet-Modells, das differentielle Diffusion und Multiregime-Bedingungen bei der H2/CH4-Verbrennung berücksichtigt und (3) die Integration der experimentellen und numerischen Methoden zur detaillierten Analyse der Multiregime-Verbrennung (Prior- und a-Posteriori-Analysen). Diese umfassenden Untersuchungen werden nur durch die enge Zusammenarbeit der beteiligten Forschungseinrichtungen ermöglicht und durch die Einbindung eines Mercator-Fellows unterstützt. Die Ergebnisse sollen sowohl das grundlegende Verständnis der Multiregime-Verbrennung vertiefen als auch zu verbesserten Modellen führen, die in der Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer H2-basierter Verbrennungssysteme Anwendung finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen