Zielsetzung des beantragten Teilprojektes C1 ist daher die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung des physikalischen Wirkungszusammenhanges, welcher in dem untersuchten Flammensystem „mager-vorgemischte und pilotierte Drallflamme“ bereits unter freibrennenden Betriebsbedingungen zur Entstehung hochfrequenter Druck-/ Flammenschwingungen im kHz-Bereich führt. Hierzu vorbereitend wurden innerhalb der ersten Phase des Teilprojektes C1 umfangreiche und detaillierte Messungen des zeitlich-mittleren Strömungs- und Reaktionsfeldes des neu entwickelten doppelt-konzentrischen Vormisch-Drallbrenners durchgeführt, der auch in der Fortsetzungspha-se des Teilprojektes C1 als Versuchsträger für die experimentellen und numerischen Untersuchungen hochfrequenter Verbrennungsschwingungen eingesetzt wird und an dem die Erzeugbarkeit des zu untersuchenden hochfrequenten Schwingungsphänomens bereits erfolgreich nachgewiesen wurde. Die zu erarbeitenden Ergebnisse an diesem Brenner werden durch numerische Simulationsrechnungen des nicht reagierenden und reagierenden Strömungsfeldes, welche an derselben Brennergeometrie und Flamme durchgeführt werden, ergänzt. Die hierbei eingesetzten Simulationsverfahren bauen auf den Erfahrungen und Ergebnissen auf, die in der ersten Antragsphase im Teilprojekt B6 gewonnen wurden. Mit der Eingliederung von numerischen Arbeiten in das vorliegende Teilprojekt C1 soll eine sehr enge Verzahnung zwischen Experiment und entsprechender numerischer Simulation erreicht werden.

Untersuchungen zum frequenzabhängigen Reaktionsverhaltens der voll-turbulenten, vorgemischten Drallflamme eines Gasturbinenbrenners

- Flammenfrequenzgang-Messungen der pulsierten Drallflamme

- Phasenkorrelierte Aufnahmen der OH-Intensitätsverteilung (Chemilumineszenz) der periodisch-instationären, hochturbulenten Drallflamme

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Flammenmodells zur Beschreibung des dynamischen d.h. zeitabhängigen Reaktionsumsatzverhaltens (Flammenübertragungsfunktion) vorgemischter LP- bzw. LPP-Flammen für gasförmige oder vorverdampfte, flüssige Brennstoffe zum Einsatz in stationären Gasturbinenbrennkammern. Mit Hilfe des zu entwickelnden Modells und der daraus ableitbaren Skalierungsgesetze wird es ermöglicht, das Antwortverhalten turbulenter und vorgemischter Flammen auf Störungen des Gemischmassenstromes in Abhängigkeit aller anwendungstechnisch relevanten Flammenparametern vorherzusagen. Dieses Flammenmodell kann dann in ein Gesamt-Stabilitätsmodell, bestehend aus Mischer - Brenner - Flamme - Brennkammer, integriert werden, um so die Stabilitätsgrenzen (Schwingungsstabilität) eines Verbrennungssystems bereits während der Auslegungsphase vorherzusagen und somit auf langwierige und kostenintensive Versuchsreihen an der Originalausführung unter Druckbedingungen verzichten zu können.

Das dynamische Verhalten technischer Vormischflammen innerhalb des Gesamtwirkungskreises Mischer-Brenner-Flamme-Brennkammer hängt maßgeblich mit dem Auftreten von sich am Brenneraustritt bildenden, periodisch ablösenden und abreagierenden, turbulenten Ringwirbelstrukturen zusammen.

Zunächst soll die Modellierung verschiedener typischer Strömungskonfigurationen (Anfahrwirbel, Freistrahl mit aufgeprägter Störung, Ringwirbelstruktur) im isothermen Fall bei kleiner Reynoldszahl erfolgen. Diese Berechnungen sollen sowohl mit Hilfe von Finite-Volumen-Verfahren als auch mittels einer direkten numerischen Simulation erfolgen. Ziel ist hier eine Vertiefung des Verständnisses der für die Wirbelbildung und der nachfolgenden zeitlichen Entwicklung maßgeblichen Prozesse, sowie ein Vergleich der verwendeten numerischen Methoden im Hinblick auf den vorliegenden Anwendungsfall.

Nachfolgend soll die Berechnung der Wirbelstrukturen ohne und mit überlagerter Reaktion im turbulenten Fall und darauf aufbauend die Modellierung des Übertragungsverhaltens von pulsierten turbulenten Vormischflammen unter Verwendung von Finite-Volumen-Verfahren erfolgen.

Bei der Entwicklung oder Verbesserung technischer Verbrennungskonzepte spielt in zu-nehmendem Maße auch die Frage der Geräuschemission eines Verbrennungssystems eine maßgebliche Rolle. Ziel der Forschergruppe „Combustion Noise“ ist es daher, die Entstehung von Lärm bei der Verbrennung in technischen Systemen zu charakterisieren, quantitativ zu beschreiben und Wege zu finden, Lärmemissionen gezielt während der Auslegungsphase zu minimieren. Zu diesem Zweck wurden in der ersten Bearbeitungs-phase Standardfälle definiert und untersucht, die ein breites Spektrum technisch relevanter Verbrennungskonfigurationen widerspiegeln (GCN0-GCN3). Während sich die bisherigen Untersuchungen in erster Linie auf nicht eingeschlossene Strömungskonfigurationen beschränkten, wird der Fokus der hier beantragten zweiten Phase bei eingeschlossenen Drallflammen liegen (GCN4, GCN5). Im Teilprojekt 2 wird für diese Standardkonfigurationen im ersten Schritt experimentell der Einfluss charakteristischer Betriebsparameter (thermische Leistung, Luftzahl, Drallstärke, Luftvorwärmung und Brennstoffart) quantifiziert. Auf der Grundlage dieser Datenbasis werden physikalische Modelle entwickelt, mit denen die Lärmentstehung in Abhängigkeit der oben genannten Betriebs-parameter quantitativ vorhergesagt werden kann. Um im Weiteren die Möglichkeiten der Einflussnahme auf Lärmemissionen zu untersuchen, wird durch Variation von konstruktiv veränderlichen Brennermerkmalen (Flammentyp, Art der Drallerzeugung und Brenneraus-trittsgeometrie) gezielt der Beitrag der einzelnen physikalischen Mechanismen zur Lärmentstehung separiert. Somit ist es nachfolgend möglich, die Potentiale von Lärmmin-derungsmaßnahmen abzuschätzen und - durch eine entsprechende Brennergestaltung - die wesentlichen Anteile an der gesamten Lärmemission gezielt zu minimieren. Die numerischen Arbeiten umfassen die Simulation der experimentell untersuchten Konfi-gurationen mit einer kompressiblen Formulierung der „large-eddy“-Simulation (LES). Die hiermit berechneten Geschwindigkeits-, Druck- und Dichtefelder beinhalten berechnete Lärmquellen und liefern damit sowohl die direkte Information über Schallausbreitung als auch Eingabegrößen für die nachgeschalteten CAA-Methoden anderer Teilprojekte. Die kompressible LES ordnet sich so als methodischer Ansatz in das Gesamtmodell der For-schergruppe für die Berechnung des Verbrennungslärms ein.

Es hat sich gezeigt, dass die bisherigen weit verbreiteten Oberflächen-Strahlungsmodelle, ohne Berücksichtigung chemischer Reaktionen (Verbrennungsmodelle) sowie ohne Turbulenz- und Rußmodelle zur Abschätzung des Gefahrenpotentials von Schadenfeuern, überdacht werden müssen. Stattdessen sind fluiddynamische kohärente Strukturen und CFD-Simulationen wechselwirkender Brände zu betrachten, unter Einbeziehung obiger, teils zu entwickelnder Submodelle.

Insbesondere soll das Wissen über die Wechselwirkungsphänomene zwischen zwei und einer größeren Anzahl von Poolbränden experimentell und mit CFD-Simulation untersucht werden. Außerdem soll das Wissen über die Länge der sog. klaren Verbrennungszone, die nicht mit schwarzen Rußballen bedeckt ist, vertieft werden. Ebenfalls soll das Wissen über die spezifische Ausstrahlung (SEP) bei Einzel- und wechselwirkenden schwarz rußenden Bränden erweitert werden.

Von großer Bedeutung und eine Voraussetzung für die Erreichung der oben genannten Ziele ist außerdem die Erweiterung des Wissens über die chemischen Elementarreaktionen in Peroxid-Poolfeuern insbesondere auch hinsichtlich der Rußbildung in solchen und in KW- Poolfeuern. Hierzu werden Mechanismen der Rußbildung verbessert und Reaktionsmechanismen für die Verbrennung von organischen Peroxiden entwickelt und in CFD-Werkzeuge integriert. Ansätze hierfür sind z.B. Flamelet-Konzepte, die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens verfolgt werden sollen.

In diesem Forschungsvorhaben soll die Untersuchung der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Di-tert-butylperoxid (DTBP), (CH₃)₃C-O-O-C(CH₃)₃ in O₂/N₂-Flammen durchgeführt werden.

Durch diese interdisziplinäre Vorgehensweise können die folgenden Ziele erreicht werden:

• Verbesserung und Entwicklung von Reaktionsmechanismen für die Bildung und Oxidation von Ruß bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bzw. Verbrennung von organischen Peroxiden (DTBP). Hierzu ist es erforderlich, für die einzelnen relevanten chemischen Reaktionen dieser Stoffsysteme die kinetischen Daten zu ermitteln, um für jeden Reaktionsweg dieses Systems die Geschwindigkeitskoeffizienten als Funktion der Temperatur und des Drucks zu erhalten
• eine deutlich realistischere Abschätzung der SEP von KW- und Peroxid-Poolbränden
• eine erstmalige Abschätzung der SEP von wechselwirkenden KW- und Peroxidbränden
• eine deutlich verbesserte Abschätzung thermischer Abstände zwischen Poolbränden und benachbarten Schutzobjekten sowie die Erarbeitung von
• Vorschlägen für Maßnahmen zur Brandvermeidung im Umgang mit entzündbaren und selbst zersetzlichen Flüssigkeiten in verfahrenstechnischen Anlagen.

Improvement and optimisation of PERM system (together with AVIO, UNI FI, CIAM)

• Obtain the 65% NOx reduction at Injection System level, according to ACARE target, technology evolution of AVIO‟s PERM Injection System from NEWAC (see description)
• Verify injection system operability at critical engine cycle points, to fulfil specific requirements like ignition and lean blow out behaviour at idle conditions and combustion instabilities control at high power.
• Extend the performance of the PERM_EV injection system at real regional engine conditions for high OPR cycle points.

The work will be organised as follows:

• An optimised PERM injection system (PERM_EV) will be developed and validated; baseline is the promising PERM2 IS injector, already tested at max 22 bars.
• Define the PERM_EV and test up to 20 bars in a tubular rig by the HP rig of KIT
• Develop an improved liner system to be coupled with the PERM_EV injector within the annular combustor configuration. Cold test will be performed by UNI FI.
• Test in a combustor rig (CIAM) with PERM injection systems and with advanced liner cooling system.
• Supported by detailed CFD modelling and extend the results to all the critical engine conditions.
• Test of a second iterated and optimised injection system configuration at KIT
• Investigate up TRL 4 the performance of a flame monitoring system, to be developed by KIT, and a plasma ignition system, to be developed by CIAM.
• Depending on the TRL of the components, all developed technologies will be integrated in the annular combustor configuration at M24. Research investigations will continue to M48 estimating their impact on the final combustor configuration.

- Auslegung und Bau eines LPP-Brenners ("Lean Prevaporized Premixed") und der Vorverdampfungs-/Vormischeinheit für den Flüssigbrennstoff Kerosin

- Charakterisierung des pilotierten, doppel-konzentrischen Drallbrenners bei verschiedenen Betriebsbedingungen und Geometriekonfigurationen

- Identifizierung der physikalischen Rückkopplungsmechanismen der Entstehung und Erhaltung selbsterregter Verbrennungsinstabilitäten bei Kerosin LPP-Flammen

- Messungen der instationären Wärmefreisetzung unter fremderregten Bedingungen im Kerosin LPP-Betrieb (Flammenfrequenzgang-Messungen)

Untersuchungen der Entstehungsmechanismen selbsterregter Druckschwingungen an einem Heizöl-Drallbrenner unter atmosphärischen Verbrennungsbedingungen in Abhängigkeit der Einflußgrößen:

- Thermische Leistung

- Luftzahl

- Luftvorwärmtemperatur

- Theoretische Drallzahl der Luftströmung

- Sprühwinkel des Drall-Druckzerstäubers

- Eingedüster Wassermassenstrom

Bei der Entwicklung oder Verbesserung technischer Verbrennungskonzepte spielt in zu-nehmendem Maße auch die Frage der Geräuschemission eines Verbrennungssystems eine maßgebliche Rolle. Ziel der Forschergruppe „Combustion Noise“ ist es daher, die Entstehung von Lärm bei der Verbrennung in technischen Systemen zu charakterisieren, quantitativ zu beschreiben und Wege zu finden, Lärmemissionen gezielt während der Auslegungsphase zu minimieren. Zu diesem Zweck wurden in der ersten Bearbeitungs-phase Standardfälle definiert und untersucht, die ein breites Spektrum technisch relevanter Verbrennungskonfigurationen widerspiegeln (GCN0-GCN3). Während sich die bisherigen Untersuchungen in erster Linie auf nicht eingeschlossene Strömungskonfigurationen beschränkten, wird der Fokus der hier beantragten zweiten Phase bei eingeschlossenen Drallflammen liegen (GCN4, GCN5). Im Teilprojekt 2 wird für diese Standardkonfigurationen im ersten Schritt experimentell der Einfluss charakteristischer Betriebsparameter (thermische Leistung, Luftzahl, Drallstärke, Luftvorwärmung und Brennstoffart) quantifiziert. Auf der Grundlage dieser Datenbasis werden physikalische Modelle entwickelt, mit denen die Lärmentstehung in Abhängigkeit der oben genannten Betriebs-parameter quantitativ vorhergesagt werden kann. Um im Weiteren die Möglichkeiten der Einflussnahme auf Lärmemissionen zu untersuchen, wird durch Variation von konstruktiv veränderlichen Brennermerkmalen (Flammentyp, Art der Drallerzeugung und Brenneraus-trittsgeometrie) gezielt der Beitrag der einzelnen physikalischen Mechanismen zur Lärmentstehung separiert. Somit ist es nachfolgend möglich, die Potentiale von Lärmmin-derungsmaßnahmen abzuschätzen und - durch eine entsprechende Brennergestaltung - die wesentlichen Anteile an der gesamten Lärmemission gezielt zu minimieren. Die numerischen Arbeiten umfassen die Simulation der experimentell untersuchten Konfi-gurationen mit einer kompressiblen Formulierung der „large-eddy“-Simulation (LES). Die hiermit berechneten Geschwindigkeits-, Druck- und Dichtefelder beinhalten berechnete Lärmquellen und liefern damit sowohl die direkte Information über Schallausbreitung als auch Eingabegrößen für die nachgeschalteten CAA-Methoden anderer Teilprojekte. Die kompressible LES ordnet sich so als methodischer Ansatz in das Gesamtmodell der For-schergruppe für die Berechnung des Verbrennungslärms ein.

Weitere Ergebnisse können auf dieser Seite betrachtet werden.

Es ist daher die Zielsetzung des Teilprojektes A7 zunächst das in der ersten Phase des Sonderforschungsbereiches 606 (2002 - 2004) entwickelte und überprüfte physikalische bzw. mathematische Schwingungsmodell einer realen, gedämpften Brennkammer (einfacher Helmholtz-Resonator) durch Kopplung mit stromauf der Brennkammer liegenden Volumina (Drallbrenner) zu erweitern (gekoppelter Mehrfachresonator) und das Resonanzverhalten des gekoppelten Ge-samtsystems Brenner – Brennkammer unter Zwangsanregung experimentell zu bestimmen. Parallel hierzu wird die Schwingungsdämpfung des gekoppelten Systems durch Modellierung der zunächst isothermen Brenner-/Brennkammerströmung mit Large-Eddy-Simulation (LES) quantitativ bestimmt. Wenn das zu entwickelnde Modell des Gesamtsystems ohne Flamme das gemessene Resonanzverhalten des Versuchsträgers unter isothermen Strömungsbedingungen mit hinreichender Genauigkeit wiedergibt, werden die experimentellen und numerischen Untersuchun-gen um die Komponente „pilotierte Vormisch-Drallflamme“ erweitert. Hierzu wird die in der ersten Phase des Sonderforschungsbereichs in den Teilprojekten C1 und A6 experimentell und numerisch untersuchte vollturbulente Vormisch-Drallflamme in das Gesamtsystem implemen-tiert und das Schwingungsmodell um das im Teilprojekt C1 entwickelte Flammenmodell ergänzt. Durch Kopplung der Schwingungsmodelle der Einzelkomponenten Brenner - Flamme - Brennkammer ist als Endziel der hier beantragten Förderungsperiode eine Stabilitätsanalyse des Gesamt-Modellsystems unter Anwendung regelungstechnischer Stabilitätskriterien geplant. Die so bestimmbaren Stabilitätsgrenzen des Modellsystems in Abhängigkeit der Betriebsparameter (thermische Leistung, Luftzahl der Vormischung, Vorwärmtemperatur etc.) können mit den ge-messenen Stabilitätsgrenzen für das Auftreten periodischer Verbrennungsinstabilitäten verglichen und somit die Gültigkeit und Anwendbarkeit des im Teilprojekt A7 vorgeschlagenen Kon-zeptes und der entwickelten Modelle zur Vorhersage der Schwingungsneigung von Verbren-nungssystemen nachgewiesen werden.

Im vorliegenden Vorhaben soll durch eine URANS Simulation der Einfluss der bevorzugten Diffusion auf die instationäre turbulente Flammenausbreitung im Achsenbereich von Wirbelröhren untersucht werden. Man hat beobachtet, dass Gemische mit gleicher laminarer Geschwindigkeit aber unterschiedlicher Stöchiometrie (wie z.B. fette und magere Gemische mit gleicher Flammengeschwindigkeit) auf Grund von Turbulenz unterschiedlich stark beschleunigt werden. Voraussetzung für das Auftreten dieses Phänomens ist das Vorhandensein einer Krümmung/Streckung der Flammenfront, so wie diese im Achsenbereich von Wirbelröhren auftritt. Um diese Wechselwirkung zu erfassen, soll zur Beschreibung der Turbulenz-Chemie Interaktion eine Transportgleichung für die Flammenoberflächendichte gelöst werden. Diese Transportgleichung enthält Terme, welche die Änderung der Flammenfrontoberfläche aufgrund von Streckung/Krümmung beschreiben. Um diese Terme genauer zu beschreiben, wird im Vorhaben 5 der Einfluss von Streckung/Krümmung auf laminare Flammenfronten im Detail berechnet und tabelliert und anschließend innerhalb des vorliegenden Vorhabens in die Modellierung der Transportgleichung für die Flammenfrontoberflächendichte integriert. Durch diese Vorgehensweise können auch Löscheffekte, die für die Simulation der Flammenausbreitung im Achsbereich von Wirbelröhren wichtig erscheinen, beschrieben werden. In der ersten Antragsperiode soll das Experiment von Vorhaben 1, das anhand der Vorarbeiten eine breite Datenbasis aufweist, berechnet werden. Die Möglichkeiten und die Grenzen des in der ersten Periode entwickelten physikalischen Modells soll in der zweiten Periode durch die Berechnung von weiteren Experimenten, die in der ersten Periode aufgebaut und vermessen werden, aufgezeigt werden.    

Nicht-stationäre Verbrennung in Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen ist der Schwerpunkt des SFB 606, vgl. Projekt-Cluster "Motorische Verbrennung" und Projekt-Cluster "Brennkammer". Moderne Konzepte Verbrennung für Brennkammern von Gasturbinen umfassen magere vorgemischte (LP) Verbrennung.  Dieses Konzept wird so weit wie möglich in stationären Gasturbinen angewandt, da es die Verringerung  von thermischen NOX ermöglicht. Jedoch sind  LP-Brenner anfällig für Verbrennungsinstabilitäten im niedrigen und hohen Frequenzbereich. Darüber hinaus ist die Brennstoff-Flexibilität eine weitere Anforderung an technische Brennkammern, da die Verwendung von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen gewünscht wird.
Zusammengefasst werden moderne Konzepte Verbrennung mit folgenden Problemen konfrontiert

• niederfrequente Verbrennungsinstabilitäten,
• Hochfrequenz-Verbrennungsinstabilitäten,
• Rußbildung und Oxidation,
• Erweiterung der genannten Probleme durch die Anwendung von flüssigen Brennstoffen.
  

Niederfrequenz-und Hochfrequenz Verbrennungsinstabilitäten, die Nutzung von flüssigen Brennstoffen, Rußbildung und Oxidation wurden ausführlich in der Vergangenheit im Labor auf Modellsystemen untersucht. Skalierungsgesetze zur Vorhersage der genannten Phänomene, bei einem Hochskalieren der Verbrennungseinrichtung oder einer Geometrievariation,  einer Veränderung der thermischen Belastung und des Betriebsdruckes oder der Anzahl der einzelnen Brenner fehlen jedoch in den meisten Fällen. Es ist daher das wichtigste Ziel dieses Teilprojektes, ein modulares Brennersystem zu designen, wo die oben aufgezeigten Probleme im Detail untersucht werden können. Das Konzept dieser Brennkammer soll  die Untersuchung der 

• Auswirkungen der Hochskalierung und Erhöhung der Brenneranzahl auf das System,
• Auswirkungen der Ausrichtung der einzelnen Brenner (ringförmige, Matrix oder lineare Anordnung),
• Anwendung von flüssigen Kraftstoffen

auf

• niederfrequente Verbrennungsinstabilitäten,
• Hochfrequenz-Verbrennungsinstabilitäten,
• Rußbildung und Oxidation,
• Druckschwankungen

ermöglichen.

Das  Brennersystem wird in verschiedenen Teilprojekten des SFB 606 experimentell und numerisch mit den modernsten Techniken und Methoden untersucht,  die in der Vergangenheit innerhalb des SFB 606 entwickelt wurden. Das Brennersystem ergänzt die Brennerfamilie von Systemen an anderern Forschungseinrichtungen, wie z.B. DLR Köln, IVT-DLR Stuttgart, TU-Darmstadt und RWTH-Aachen, welche für andere Betriebsbedingungen und Forschungsziele entwickelt wurden.