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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Large Eddy Simulation
Der Großteil der derzeit stattfindenden Forschung auf dem Gebiet der Berechnung von Strömungsvorgängen betrifft die Untersuchung von turbulenten Strömungen. Fast alle natürlich vorkommenden Strömungen sind turbulent, und daher ist es wichtig turbulente Strömungen genau mit Modellen beschreiben zu können. Zu diesem Zweck wurden in der Vergangenheit viele Modellbeschreibungen entwickelt und die Large Eddy Simulation ist eines dieser Modelle.

Die drei wichtigsten Arten von Methoden zur Beschreibung turbulenter Strömungen sind die Direkte Numerische Simulation (DNS), Large Eddy Simulation (LES) und die Modellierung mittels Gleichungen für (mehrere) statistischer Momente von Strömungsmerkmalen wie z. B. der Geschwindigkeit (z.B. das k-ε Modell). Unter bestimmten Bedingungen kann die Momenten Methode sehr genau sein, aber sie ist häufig nicht geeignet für transiente Ströme, da durch die Mittelung die meisten der wichtigen Merkmale eines zeitabhängigen Lösung unbetrachtet bleiben. Die Direkte Numerische Simulation versucht dagegen, alle Zeit- und räumlichen Skalen aufzulösen. Als Ergebnis ist die Lösung sehr genau. Leider ist die DNS für 99,9% der CFD-Probleme unrealistisch, weil sie vom Rechenaufwand bis in die heutige Zeit undurchführbar ist.

Ein Kompromiss zwischen diesen beiden Methoden ist Large Eddy Simulation. Diese Technik wurde ursprünglich in den 1970er Jahren von Wissenschaftlern zur Beschreibung atmosphärischer Transportvorgänge eingeführt. Seitdem wurde es in fast allen ingenieurwissenschaftlichen Bereichen eingeführt und ist Stand der Technik. Large Eddy Simulation versucht, um die direkt lösbaren großen räumlichen Skalen (wie bei der DNS) aufzulösen, während die kleineren Skalen mit einem Modell (analog zu k-ε) beschrieben werden.

Eine Begründung für diese Vorgehensweise bedient sich zweier Argumente: Erstens tragen die größeren Skalen den Großteil der Strömungsenergie, und sind daher immer wichtiger. Zweitens haben die kleineren Skalen keine oder in sehr viel geringerem Maße eine besonders hervorgehobene Richtung und sind daher generell leichter zu modellieren. Die resultierende Methode ist ein Hybrid zwischen diesen beiden Methoden.

 

TURBOmachinery REtrofits enabling FLEXible back-up capacity for the transition of the European energy system
(TURBO-REFLEX)
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Der Energiesektor trägt zwei Drittel zu den globalen CO2 Emissionen bei, ist daher entscheidend für ein in Zukunft umweltfreundliches Wachstum, um die vorgesehenen Ziele bei der Begrenzung globaler Emissionen zu erreichen. Eine substantielle Reduktion der CO2 Emissionen kann nur durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen im großen Maßstab erreicht werden, wobei insbesondere die ergiebigsten Energiequellen Wind- und Sonnenkraft eingesetzt werden. Deren intermittierendes Vorkommen bedeutet jedoch eine große Herausforderung für die Energieversorgungssystem, da die Spitzen des erneuerbaren Energieangebots mit denen der angeforderten Leistung nicht überlappen. Da bislang noch keine Speichermöglichkeiten im erforderlichen Bereich vorhanden sind, werden zusätzliche Methoden zur Sicherung der Energieversorgung notwendig sein. Die Bereitstellung von Technologien die bereits installierte Kraftwerke für eine flexiblere Betriebsweise ertüchtigen, ohne dabei zu einer Verschlechterung bezüglich Betriebsdauer, Kosten und Emissionen zu führen, ist eine Möglichkeit die Energieversorgung mit den durch höhere Anteile regenerativer Energiequellen erforderlichen Sicherungskapazitäten zu versehen und so einen stabilen und elastischen Betrieb zu garantieren, der gleichzeitig einen höheren Anteil erneuerbarer Energiequellen erlaubt.

Die Mission von TURBO-REFLEX ist daher die Entwicklung und Optimierung von Technologien für ausgewählte Komponenten von Turbomaschinen, die dafür verwendet werden können, um sowohl existierende als auch neue Kraftwerke für einen flexibleren Betrieb zu ertüchtigen. Dabei wird TURBO-REFLEX auch die Auswirkungen, die solche Technologien auf Kraftwerksebene durch den Transfer der Komponententechnologie auf Wartungs- und Betriebskosten hat, bewerten.

Die magere Verlöschgrenze ("lean blow off", LBO) ist eine entscheidende Hürde für die weitere Reduktion der möglichen Teillast, weil der Betriebsbereich durch die LBO-Grenze limitiert wird. Strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen sind mit Abblasegrenzen hinunter bis zu einer Verbrennungstemperatur von 1000°C-1200°C mit oder ohne die Verwendung von Pilotflammen vorhergesagt. 1000°C-1200°C Verbrennungstemperatur würde einen konformen Teillastbetrieb gleicher Emissionen bis zu 20%-25% bedeuten. Weitere Abblasegrenzen des Brenners sind eine Grundvoraussetzung für die Anwendung hoher Leistungsgradienten. Es wird daher erwartet, dass strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen mit besseren LBO Grenzen auch Leistungsgradienden höher als 40MW/min erlauben werden.

EBIvbt am Karlsruher Institut für Technologie wird das Abblasen von Strahlflammen mit fortschrittlichen Verbrennungsmodellen untersuchen. Diese Modelle berücksichtigen sowohl geometrische Grundparameter als auch die Auswirkung von benachbarten Pilotflammen. Dazu wird ein 3D-Simulationsmodell entwickelt und experimentell bei Bedingungen nahe der Anwendung validiert. Die Turbulenz/Chemie Interaktion ("turbulence chemistry interaction", TCI) wird auf Basis zweier verschiedener Verbrennungsmodelle berücksichtigt, wobei in beiden Modellen eine Transportgleichung einer Reaktionsfortschrittsvariablen gelöst wird. Der Unterschied beider Modelle besteht in der Quelltermmodellierung. Beim ersten Modell hängt der Quellterm vom Mischungsbruch und der Reaktionsfortschrittsvariable selbst ab. Im zweiten Modell, das auf einer Beschreibung der turbulenten Flammengeschwindigkeit beruht ("turbulent flame speed closure", TFC), hängt der Quellterm neben den lokalen Turbulenzeigenschaften von der laminaren Brenngeschwindigkeit ab. Auf diese Weise kann der Einfluss von Flammenstreckung und lokalem Wärmeverlust auf die laminare Brenngeschwindigkeit, der sich schon bei einfachen 1D-Modellrechnungen zeigt, direkt berücksichtigt werden. Durch den Vergleich der zwei Modelle mit experimentell ermittelten Daten wird gezeigt, welches Modell besser für die Wiedergabe der Abblasegrenzen geeignet ist.

 

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


Theoretische Erfassung der Abhebehöhe von Strahlflammen bei Druckverbrennung
(KW21-BWL)

Bei dem angestrebten Konzept wird ein Brennstoffstrahl mit einem sehr hohen Impuls in einen heißen Abgasstrom eingedüst. Durch die extrem hohen Geschwindigkeiten kann die Flamme erst in einem gewissen Abstand vom Düsenaustritt stabilisieren. Bis zum Stabilisierungspunkt hat der Strahl so viel Masse angesaugt, dass die Verbrennung unter mageren Bedingungen abläuft und deswegen mit sehr niedrigen NOx-Emissionen.
Die Vorteile dieses innovativen Verbrennungskonzeptes neben den niedrigen Emissionen sind der weite Stabilitätsbereich und die Robustheit gegenüber Flammenschwingungen. Das Emissionsverhalten des Verbrennungskonzeptes wird durch die stöchiometrischen Bedingungen unter denen die Verbrennung abläuft gesteuert. Diese hängen hauptsächlich von der Abhebehöhe der Flamme ab. Somit stellt die Kenntnis der Abhebehöhe einen Schlüsselparameter, um so ein Verbrennungskonzept auszulegen.
Daraus resultiert auch das Ziel des Projektes, das die Wiedergabe der Abhängigkeit der Abhebehöhe von den thermodynamischen Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur) und den Strömungsbedingungen (Impulsverhältnis Strahl zu Hauptströmung, Strahlaustrittsdurchmesser) durch Modellierung des Verbrennungskonzeptes anstrebt.


New Aero Engine Core Concepts
(NEWAC)
Theoretical and experimental investigations of a swirl stabilized flame characterize this project. As a burner an airblast atomizer in double swirl configuration has been chosen, the latter being designed and manufactured at Engler-Bunte-Institute. The purpose of the present investigation is to destinguish the flame stability behavior in regard to the lean extinction limit and to derive flame stabilization mechanisms. During the experimental part flame field measurements in terms of 3D velocity, temperature, concentrations have to be performed, in order to gain information about flame location and stability. A particular challenge in this project is the liquid fuel (kerosene) operated nozzle, where also kerosene spray characteristic has to be investigated. PDA (Particle Dynamics Analyses) laser measurement technique is applied for that purpose. This experimental data will serve also to the theoretical part of the project, where the nozzle will be designed according to given aerodynamical conditions and calculations of the cold flow as well as the reacting flow will be performed. The results will aim also an explanation of the flame stability. The advantage in this project is that theoretical and experimental research work are performed simultaneously, so better condifence in results could be gained.

A presentation of the NEWAC project.

Forschergruppe Verbrennungslärm Measurement and Simulation of Combustion Noise emitted from Swirl Burners with different Burner Exit Geometries
(FG_486)
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.

Combustion noise
(CN_Bo)
Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Entstehungsmechanismen sowie die quantitative Vorhersage des Verbrennungslärmes turbulenter Flammen. Als Berechnungswerkzeuge werden sowohl die Grobstruktursimulation bzw. LES (Large Eddy Simulation) als auch die DNS (Direkte Numerische Simulation) eingesetzt. Ein bislang im Rahmen von RANS (Reynold-Averaged-Navier-Stokes) – Berechnungen erfolgreich eingesetztes, auf Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen basierendes, Verbrennungsmodell soll zur Anwendung im LES-Kontext stufenweise weiterentwickelt werden. Der Einsatz des Modells im Rahmen einer kompressiblen LESFormulierung ermöglicht die direkte Berechnung des aus den grobskaligen Wirbeln herrührenden Anteils des Verbrennungslärmes. Die DNS-Simulationen erlauben zusätzlich die Untersuchung der aus der Feinstruktur stammenden Lärmanteile. Weiterhin können damit die für die LES-Feinstrukturmodelle verwendeten Modellierungskonzepte verfeinert werden und die im TP2 (Janicka) vorgenommene Rekonstruktion des Dichtesprunges verifiziert werden.


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