Modellierungskonzepte für die Chemie-Turbulenz-Interaktion

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Maas
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 39195013

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Entwicklung zuverlässiger prädiktiver Modelle zur Simulation turbulenter Verbrennungsprozesse ist von großer Wichtigkeit in vielen Bereichen der Technik und Wissenschaft. Übereinfachende Modelle liefern auf Grund der meist mangelhaften Beschreibung der komplexen Wechselwirkung von chemischer Reaktion und turbulenten Transportprozessen häufig nur unbefriedigende Ergebnisse bei der Simulation technischer Systeme. Am ITT wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ein Modell zur mathematischen Modellierung turbulenter Verbrennungsprozesse entwickelt und erfolgreich zur Simulation des verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzens (CIVB) eingesetzt. Das Modell besteht aus zwei Teilen: einem Finite Volumen Löser zur Beschreibung der hydrodynamischen Prozesse in der Flamme, hier wurde eine vom Fachgebiet Strömungsmaschinen am KIT entwickelte Software (SPARC) verwendet und einem partikelbasierenden Monte Carlo Löser für die gebundene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) von Geschwindigkeit und Skalaren. Vorteilhaft ist dabei, daß bei dieser Formulierung chemische Reaktionen geschlossen behandelt werden können und keinerlei weitere Modellierung notwendig ist. Lediglich der Einfluss viskoser Scherkräfte und des molekularen Transports auf die Form der PDF muss modelliert werden. Die chemische Kinetk wird durch automatisch reduzierte detaillierte Reaktionsmechanismen beschrieben. Als Reduktionsmethode kommt dabei das am ITT entwickelte REDIM Verfahren zum Einsatz. Es erlaubt eine gute Beschreibung der chemischen Kinetik bereits mit sehr wenigen Parametern. Das untersuchte Phänomen CIVB ist aus zwei Gründen interessant. CIVB tritt zum einen an drallstabiliesierten magerern Vormischenflammen, wie sie in neuen schadstoffarmen Brennerkonzepten für Gasturbinen Verwendung finden, auf und wird zum anderen maßgeblich durch die komplexe lokale Wechselwirkung von chemischer Reaktion und Turbulenz bestimmt. Somit stellt es einen vergleichsweise herausfordernden Testfall für die mathematische Modellierung dar. Simuliert wurde das CIVB Phänomen für eine experimentell durch eine Arbeitsgruppe der TU München untersuchten Brennkammer (siehe Teilprojekt 1). Die experimentell bestimmte Abhänigkeit der Rückschlaggrenze des Brenners von den globalen Betriebsparametern Luftzahl und thermische Leistung konnten in der Simulation sehr gut reproduziert werden. Der Absolutwert des kritischen Mischungsverhältnis, bei es zu einem verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzen kommt, zeigt ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Generation of reduced models by decoupling of chemical kinetics and convection/diffusion processes. In: Proceedings of the 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems., Montreal, Canada, 2005
  Bykov, V. und U. Maas
  
• Implementation of ILDMs Based on Represantation in Generalized Coordinates. In: Proceedings of the 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems., Montreal, Canada, 2005
  Bauer, J. und U. Maas
  
• On a modified version of ILDM approach: asymptotic analysis based on integral manifolds. J. Applied Mathematics, 71:359– 382, 2006
  Bykov, V., I. Goldfarb, V. Gol'dsthein und U. Maas
  
• Extension of the ILDM method to the domain of slow chemistry. In: Proceedings of the Combustion Institute, Band 31, Seiten 465–472, 2007
  Bykov, V. und U. Maas
  
• Simulations of Premixed Swirling Flames Using a Hybrid Finite- Volume/Transported PDF Approach. In: High Performance Computing on Vector Systems, Seiten 181–193, 2007
  Lipp, S. und U. Maas
  
• The extension of the ILDM concept to reaction-diffusion manifolds. Combustion Theory and Modelling, 11(6):839–862, 2007
  Bykov, V. und U. Maas
  
• A Hybrid Finite-Volume/Transported PDF Model for Simulations of Turbulent Flames on Vector Machines. In: High Performance Computing in Science and Enineering ’08, Seiten 137–152, 2008
  Lipp, S., P. Lammers und U. Maas
  
• Manifold-Based Reduction of Large Kinetic Mechanisms. In: 46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 2008
  Bykov, V. und U. Maas
  
• Simple global reduction technique based on decomposition approach. Combustion Theory and Modelling, 12(2):389–405, 2008
  Bykov, V., V. Gol’dshtein und U. Maas
  
• A hybrid transported PDF/CFD model for turbulent flames using REDIM. In: Proceedings of the European Combustion Meeting, Vienna, Austria, 2009
  Lipp, S., F. Magagnato und U. Maas
  
• Global and comparative analysis of chemical kinetics models in the self-ignition problem. In: Proceedings of the European Combustion Meeting, Vienna, Austria, 2009
  Bykov, V. und U. Maas
  
• Investigation of the hierachical structure of kinetic models in ignition problems. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 233:461–479, 2009
  Bykov, V. und U. Maas
  
• Numerical simulations of combustion induced vortex breakdown in lean premixed flames using a hybrid CFD/transported PDF model. In: 24. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 2056, Seiten 187–192, 2009
  Lipp, S. und U. Maas
  
• Numerical simulations of flashback in lean premixed combustion systems using probability density function methods. In: 22nd International Colloquium on Detonation and Explosion of Reactive Systems (ICDERS), Minsk, Belarus, 2009
  Lipp, S. und U. Maas
  
• Problem adapted reduced models based on Reaction-Diffusion Manifolds (ReDiMs). In: Proceedings of the Combustion Institute, Band 32, Seiten 561–568, 2009
  Bykov, V. und U. Maas