Modellierung und Identifikation der Dynamik technisch vorgemischter Flammen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Pfitzner; Professor Wolfgang Polifke, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Strömungsmechanik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393001638

Bei der Untersuchung selbsterregter thermoakustischer Instabilitäten der Verbrennung ist es von essentieller Bedeutung, die Antwort der betrachteten Flamme auf die jeweils relevanten Störungen der Strömung zu charakterisieren. Im beantragten Vorhaben wird die dynamische Antwort einer technisch vorgemischten Flamme auf Schwankungen sowohl der Stromauf-Geschwindigkeit als auch des Brennstoff/Luft Äquivalenzverhältnisses modelliert und quantifiziert. Dies wird erreicht durch den kombinierten Einsatz von validierter Grobstruktursimulation (LES) turbulenter, reagierender Strömung und modernen Methoden der Systemidentifikation (SI) mit dem Ziel, reduzierte Modelle der Flammendynamik zu erzeugen, die die Multiple-Input / Single-Output (MISO) Struktur technisch vorgemischter Flammen in adäquater Weise berücksichtigen.Zwei Herausforderungen stehen im Zentrum der geplanten Arbeiten: 1) Fortschrittliche SI-Methoden, die z.B. Box-Jenkins Modelle mit MISO Struktur verwenden, werden eingesetzt bzw. entwickelt, um anhand von LES Zeitreihen ordnungsreduzierte Modelle der Flammenantwort zu generieren. Dies unterscheidet sich wesentlich von der herkömmlichen Single-Input-Single-Output (SISO) Identifikation, bei der die identifizierten Flammenmodelle reduzierter Ordnung abhängig von den akustischen Eigenschaften z.B. der Brennstoffinjektion sind. Ausserdem wird bei modernen SI-Methoden turbulenter Flammenlärm nicht als unkorrelierte Signalkomponente unterdrückt bzw. vernachlässigt, sondern als farbiges Rauschen modelliert. Dieses Vorgehen erhöht die Qualität der Identifikation und erlaubt darüber hinaus, verbleibende Unsicherheiten zu quantifizieren. 2) Mittels Systemidentifikation bestimmte Modelle reduzierter Ordnung können nur so genau sein, wie die Zeitreihendaten aus denen sie abgeleitet wurden. Ausserdem ist zu bedenken, dass MISO Identifikation vergleichsweise lange Zeitreihen benötigt. Darum ist es nötig, Modelle der turbulenten Verbrennung technisch vorgemischter Flammen zu verwenden bzw. zu entwickeln und zu validieren, die sowohl genau als auch effizient ist. Die Validierungstrategie muss dabei berücksichtigen inwieweit die Modelle fähig sind, die Flammendynamik korrekt vorherzusagen. Die Modelle müssen verlässlich auch auf relative groben Netzen mit erheblicher subskaliger Flammenfaltung arbeiten. Die mittels validierter LES/SI gewonnenen MISO Modelle können mit Modellen der Akustik kombiniert werden, um z.B. ein Einfluss von Lage und akustischer Impedanz der Brennstoffinjektoren auf die thermoakustische Stabilität von Brennkammern in flexibler und effizienter Weise zu untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen