Numerical investigations of ring vortices with regard to the development of combustion instabilities
Final Report Abstract
Die Verwendung des Konzeptes der vorgemischten Verbrennung in technischen Verbrennungsanlagen fordert die Ausbildung von selbsterregten Verbrennungsinstabilitäten. Bei ausgebildeten Verbrennungsschwingungen kann es an der Brennermündung zur Ausbildung von kohärenten Ringwirbelstrukturen kommen, die das dynamische Verhalten der Flamme beeinflussen, Inhalt des Projektes war die numerische Untersuchung des dynamischen Verhaltens von turbulenten vorgemischten Axialstrahlflammen mit analytischen und numerischen Methoden. Ein Hauptziel lag dabei in der Beantwortung der Frage, ob die Vorhersage des Übertragungsverhaltens von turbulenten Vormischflammen mit Hilfe von CFD- (Computational Fluid Dymamics)-Programmen, welche die sog. URANS (Unsteady-Reynolds-Averaged- Navier-Stokes)-Methode auf Basis des Finite-Volumen-Verfahrens verwenden, möglich ist und wie die im Vorgängerprojekt festgestellten Unterschiede zwischen berechneten und gemessenen Frequenzgängen zu bewerten sind. Zunächst wurde eine analytische Lösung für die zeitabhängige Kontur einer idealisierten Kegelflamme in einem vorgegebenen, periodisch oszillierenden Geschwindigkeitsfeld hergeleitet. Die Analyse der Frequenzgänge ergab, dass das dynamische Verhalten einer kegelförmigen Flamme von den drei dimensionslosen Parametern Kegelwinkel, Verhältnis der Zeitmaße von Störung und Flamme, Verhältnis der Wellenlängen von Störung und Flamme abhängt. Weiterhin wurden pulsierte turbulente vorgemischte Axialstrahlflammen unter der Verwendung des k - E Turbulenzmodelles und eines TFC (Turbulent Flaniespeed Ciosure) - Verbrennungsmodelles berechnet und das dynamische Verhalten in Form von Frequenzgängen ausgewertet. Durch eine gezielte Variation der bei den Rechnungen verwendeten Parameter und Randbedingungen sowie durch die Veränderung von im Experiment nicht unabhängig voneinander zu beeinflussenden physikalischen Größen konnte eine weitgehende Separation der Einflussfaktoren Flammenlänge, Flammendicke, Flammenfläche, Turbulenzfeld und Mischungsfeld auf den Flammenfrequenzgang erreicht werden. Die Auswirkungen der separierten Einflussfaktoren auf die berechneten Frequenzgänge können mit der Modellvorstellung eines Übertragungsgliedes, welches eine rechteckförmige Totzeitverteilung auf weist, erklärt werden. Der Phasengang wird dabei vom Mittelwert des Verweüzeitspektrums von reagierendem Brennstoff bestimmt, der Amplitudengang von der Verteilungsbreite des Verweilzeitspektrums. Durch die Untetsuchungen konnte gezeigt werden, dass die in der Literatur teilweise vertretene Modellvorstellung, welche die vorgemischte Axialstrahlflamme als ideales Totzeitglied behandelt, erweitert werden muss. Die Modellierung liefert bezüglich der Vorhersage von Phasengängen im betrachteten Frequenzbereich bis 250 Hz eine sehr gute Übereinstimmung mit Messdaten. Dazu ist es jedoch notwendig, die vom verwendeten PHP (Premixed High Performance)-Verbrennungsmodell tendenziell zu klein vorhergesagte turbulente Flammengeschwindigkeit mit einem von der thermischen Leistung abhängigen Faktor zu reduzieren. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass der Phasengang einer pulsierten Flamme auch aus der Analyse der zugehörigen stationären Flamme abgeleitet werden kann. Die gemessenen Amplitudengänge weisen typischerweise eine größere Amplitudenreduktion auf als die berechneten. Der quantitative Vergleich von berechneten und gemessenen Amplitudengängen ist aufgrund der unterschiedlichen ausgewerteten Antwortgrößen (OH-Chemilumineszenz und Reaktionsumsatz) nicht möglich. Der Unterschied zwischen Rechnung und Messung ist damit vor allem auf Einflüsse der verwendeten Messtechnik (Absenkung der Chemilumineszenz durch Einmischung von Umgebungsluft in die Reaktionszone) zurückzuführen. Die berechneten Amplitudengänge weisen jedoch alle im Experiment zu beobachtenden Charakteristiken auf.
Publications
- Hettel, M., Büchner, H., Habisreuther, P., Bockhorn, H., Zarzalis, N.: "Modellierung des Übertragungsverhaltens von turbulenten, vorgemischten, freibrennenden Axialstrahlflammen", Verbrennung und Feuerungen - 21. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1750, S. 733- 738, Verein Deutscher Ingenieure (ed.), Düsseldorf, 2003.
- Hettel, M., Büchner, H,, Habisreuther, P., Bockhorn, H., Zarzalis, N.: "Modelling of Ring-Vortices and their Interaction with Turbulent Premixed Flames" Combustion Science and Technology 176, Nr. 05-06, p. 835-850, 2004.
- Hettel, M., Habisreuther, H., Bockhorn, H.: "URANS-Modellierung von Frequenzgängen vorgemischter turbulenter Axialstrahlflammen". Verbrennung und Feuerungen - 22. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1888, S. 395- 400, Verein Deutscher Ingenieure (ed.), Düsseldorf, 2005.
- Hettel, M., Habisreuther, P., Weiß, M., Büchner, H., Bockhorn, H., Zarzalis, N.: "URANS-Modelling of Pulsed Turbulent Jets and Premixed Jet Flames" Progress in Computational Fluid Dynamics (PCFD) 5, Nr. 7, p. 386-397, 2005.
