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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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2-Gleichungsmodelle (RANS)

Eine Vorgehensweise bei der Berechnung turbulenter Strömungen besteht darin, die zugrundeliegenden Navier-Stokes-Gleichungen zunächst zeitlich zu mitteln (-> Reynolds-Averaged-Navier-Stokes Equations, RANS) und nachfolgend mittels numerischer Methoden zu lösen. Der bei der zeitlichen Mittelung auftretende Informationsverlust muss durch die Einführung sogenannter Turbulenzmodelle kompensiert werden.

Bei der Klasse der 2-Gleichungs Modelle wird der Einfluss der Turbulenz durch jeweils zwei zusätzliche Variablen, für die jeweils eine Transportgleichung gelöst wird, beschrieben. Das momentan immer noch gebräuchlichste Modell ist hierbei das k-e Modell. Dieses bietet gegenüber komplexeren Modellen (wie z. B. Reynoldsspannungsmodellen oder der Large-Eddy-Simulation) den Vorteil einer hohen numerischen Stabilität bei relativ kleiner Rechenzeit und ist somit gerade für industrielle Anwendungen prädestiniert.

Die Nachteile von Modellen dieser Art ist die mangelhafte Beschreibung verschiedener typischer Strömungskonfigurationen wie z. B. Strömungen bei denen starke Krümmungen der Stromlinien auftreten. Durch geeignete Korrekturansätze können diese Nachteile kompensiert werden und damit die Anwendbarkeit und die Vorhersagegüte beträchtlich gesteigert werden. Im Hinblick auf die weitverbreitete technische Anwendung von drallstabilisierten Flammen, liegt ein Forschungsschwerpunkt in der Modellierung von Drallströmungen.


 
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Flammenbeschleunigung in Wirbelröhren TP 7: URANS-Modellierung des Einflusses der Brennstoffdiffusion auf das verbrennungsinduzierte Wirbelaufplatzen
(CIVB-TP7)
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.    

Numerische Untersuchung von Ringwirbelstrukturen im Hinblick auf die Entstehung von Verbrennungsinstabilitäten
(BO 693-12-1)

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.



Modellierung des Verbrennungsverlaufs bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen und Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen.
(CEC_1F)

Im Rahmen der von der Bundesregierung und der Europäischen Union angestrebten Energiewende ist der Zuwachs des Anteils an erneuerbaren Energien entscheidend. Hiermit verbunden ist allerdings eine den natürlichen Ressourcen Wind und Sonne geschuldete fluktuierende Energieerzeugung, die nicht mit dem Strombedarf korreliert. Zum Ausgleich dieser Energieerzeugungslücke werden Kraftwerke benötigt, die in einem flexiblen Lastbereich betrieben werden können. In diesem Zusammenhang nehmen Gaskraftwerke eine wichtige Rolle ein, da sie schnelle Lastanpassungen ermöglichen und Energie bei höchsten Wirkungsgraden bereitstellen.

Ziel des Verbundvorhabens ist daher die Entwicklung von Verbrennungstechnologien für die klimaschonende Energieumwandlung. Die im Teilprojekt 1F geleistete Forschungsarbeit dient in diesem Zusammenhang zur Erfüllung des Teilziels „Betriebsflexibilität und Brennstoffflexibilität“. Die Betriebsflexibilität hängt entscheidend von den Stabilitätsgrenzen der Verbrennung ab, deren Vorhersage noch nicht adäquat möglich ist. Die Brennstoffflexibilität setzt die sichere Auslegung von Brennern voraus, die sowohl mit gasförmigem als auch mit flüssigem Brennstoff operieren können.

Eine wichtige Methode die Stromerzeugung klimaschonend zu gestalten ist die Erhöhung des Wirkungsgrades von Gasturbinen. Da die Erhöhung des Wirkungsgrades mit der Erhöhung des Druck und Temperaturniveaus des Prozesses zusammenhängt, kann das angestrebte Ziel nur auf Basis der Optimierung der Kühlung von den hochbelasteten Teilen erfolgen. Diese Optimierung kann nicht ohne die Kenntnis der Temperaturverteilung in der Brennkammer und am Brennkammeraustritt erfolgen, was auch das zentrale Ziel des Vorhabens ist. Die Berechnung der Temperaturverteilung bzw. der Verteilung der Wärmefreisetzung hängt von folgenden Teilprozessen ab: 

  • Erfassung der Tropfendispersion, die von den turbulenten Schwankungsbewegungen dominiert wird
  • Berechnung der Verdampfung, die von der Verdampfungscharakteristik und dem turbulenten Wärmetransport von der gasförmigen an die flüssige Phase abhängt
  • Erfassung der Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Wärmefreisetzung

Die realitätstreue Wiedergabe der dargestellten Teilprozesse stellen die wissenschaftlichen Teilziele des Projektes 1F dar.

  • Mit Large-Eddy-Simulation berechnete mittlere Temperatur im Nahfeld einer Airblast-Düse bei Verbrennung von Hexadekan mit und ohne Wasserbeimengung