DNS-gestützte Entwicklung von prädiktiven LES-Modellen für Schadstoffemissionen in Gasturbinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Heinz Pitsch
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434872808

Die Verringerung von Schadstoffemissionen ist eine wichtige Herausforderung bei der Entwicklung von Gasturbinenbrennkammern. In diesem Zusammenhang können Large-Eddy Simulationen (LES) einen wichtigen Beitrag zur Beschleunigung der Entwicklung und Reduzierung der Kosten leisten. Das Ziel dieses Projekts ist die Verbesserung von LES-Emissionsmodellen für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen. Der vorliegende Antrag bezieht sich auf die zweite Phase eines auf 2+2 Jahre angelegten Projekts. Für Flugtriebwerke liegt der Fokus auf der Modellierung von Ruß. Nach der Untersuchung von Rußbildung und -oxidation in der ersten Projektphase, sollen in der zweiten Phase die Effekte des Rußdurchbruchs von fetten in brennstoffarme Bereiche besser verstanden werden. Rußdurchbruch tritt auf, wenn turbulente Wirbel aufgrund der für Flugzeugtriebwerke charakteristischen hohen Turbulenz Ruß aus fetten Bereichen ausreichend schnell durch die Flamme hin zu mageren Bereichen transportieren, so dass Rußpartikel nicht vollständig oxidiert werden können. Aktuelle LES-Modelle können Rußdurchbruch nicht mit ausreichender Genauigkeit wiedergeben, wodurch Rußemissionen zum Teil deutlich unterschätzt werden. In diesem Projekt sollen die Modelle entsprechend erweitert werden. Dies soll in einem dreistufigen Prozess geschehen: 1) Erzeugung einer DNS-Sequenz mit drei verschieden-starken Stufen des Rußdurchbruchs; 2) Analyse der DNS Daten und aktueller Modelle und Weiterentwicklung des Rußmodells; 3) Validierung mittels LES einer Laborflamme und einer Modellbrennkammer. Bei stationären Gasturbinen werden Kohlenmonoxid-Emissionen (CO) betrachtet. In dieser Phase soll untersucht werden, wie sich die Zugabe von Wasserstoff (H2) zum Methan-Brennstoffstrom (CH4) auf die CO-Emissionen und deren Modellierung auswirkt. Ausgangspunkt ist die Wichtigkeit von H2 als zukünftigem Energieträger. Hier wird zunächst die Beimischung kleiner Mengen H2 zum Erdgas als Brennstoff in Gasturbinen betrachtet. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass kleine H2-Beimischungen die CO-Emissionen aufgrund der erhöhten Brenngeschwindigkeit erheblich reduzieren können. Es werden DNS der turbulenten Verbrennung von CH4/H2-Gemischen durchgeführt. Die DNS-Daten werden für die Erweiterung des CO-Modells analysiert und das vollständige Modell wird in den LES von zwei Modellbrennkammern verwendet und mit experimentellen Daten validiert. Dieses Projekt wird gemeinsam bei DFG und FVV beantragt. Obwohl beide Arbeitspakete die Schadstoffbildung in unterschiedlichen Umgebungen untersuchen, sind starke Verbindungen durch die Einbettung der Arbeitspakete in die Projektunterstützung durch Industriepartner der FVV gegeben. Die Modellierungsansätze von CO und Ruß sind ähnlich, sodass die gemeinsame Modellentwicklung zu einer allgemeineren, generischen Beschreibung der Schadstoffbildung führt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen