Verbrennungslärm und Dynamik technisch vorgemischter Flammen

• Antragsteller: Professor Wolfgang Polifke, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Energieverfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442581657

Verbrennungslärm und insbesondere thermoakustische Instabilitäten der Verbrennung sind wesentliche Probleme bei der Entwicklung von Strahltriebwerken. Im Vergleich zu anderen Arten von Fluglärm hat die relative Bedeutung von Verbrennungslärm in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Instabilitäten der thermoakustischen Verbrennung stellen eine konstruktive Herausforderung dar, die bewältigt werden muss, wenn magere Vormischverbrennung eingeführt wird, um die Emissionen von Stickoxiden zu vermindern. Modellierungskonzepte und Simulationswerkzeuge zur Untersuchung und Kontrolle dieser beiden Phänomene, die auf einer fundamentalen Ebene eng miteinander verbunden sind, ist daher für die Konstruktion sauberer, leiser, stabiler und lastflexibler Triebwerke unerlässlich.Ein gemeinsames ANR / DFG-Projekt "NoiseDYN" zwischen Centrale Supelec in Paris und der TU München entwickelte und validierte Werkzeuge zur Simulation und Identifizierung der Dynamik von eingeschlossenen, turbulenten, vorgemischten Flammen sowie die entsprechenden Quellen des direkten Verbrennungslärms. In Fortsetzung dieser Bemühungen wird das vorgeschlagene Projekt „NoiSI“ zur Entwicklung eines allgemeinen, einheitlichen Rahmens zur Modellierung von Verbrennungsgeräuschen und thermoakustischer Instabilität in Flugantrieben beitragen.Dieses Framework stützt sich auf datenbasierte, ordnungsreduzierte Modelle der Flammendynamik und des Verbrennungsgeräusches. Es besteht aus drei Komponenten:i) hochaufgelöste numerische Simulation von eingeschlossenen, turbulenten, teilweise vorgemischten Flammen,ii) Estimation der Flammendynamik und der Quellen von direkten und indirekten Verbrennungslärms mittels Systemidentifikation,iii) Integration einzelner Elemente (Quellen und Flammendynamik) in ein akustisches Netzwerkmodell niedriger Ordnung zur Beurteilung des Verbrennungslärmpegels und der Instabilitätsgrenzen.Die Hauptziele des NoiSI-Projekts sind die folgenden: Erstens Etablierung und Validierung eines Verfahrens zur Estimation der Flammenantwort auf akustische Störungen und Schwankungen der Brennstoffkonzentration sowie der entsprechenden Quellen von Verbrennungslärm und Entropiewellen. Der Ansatz beruht auf Grobstruktursimulation der Verbrennung (LES) kombiniert mit Systemidentifikation (SI) mit Quantifizierung der Unsicherheit. Die mit LES / SI bewerteten Quellen und Flammentransferfunktionen werden in ein thermoakustisches Netzwerkmodell inkorporiert, das alle physikalischen Mechanismen berücksichtigt, die für Verbrennungslärm und Stabilität turbulenter Flammen relevant sind. Der Rechenzeitbedarf soll auch für Konfigurationen von angewendetem Interesse vertretbar bleiben. Untersucht werden ein Hochdruckprüfstand für flüssige Brennstoffe (SCARLET-Prüfstand am DLR Köln) und eine Brennkammer für gasförmige Brennstoffe an der ETH Zürich. Die Simulationen und Modellierungsstrategien werden anhand experimenteller Ergebnisse validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG