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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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PDF-Modelle

Der Modellierung turbulenter, reagierender Strömungen mit Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) liegt immer die Vernachlässigung höherer Momente zugrunde. Obwohl die Erfahrung zeigt, dass diese Vernachlässigung in vielen Fällen gerechtfertigt scheint, sind gerade für den Fall der reagierenden Strömungen, aufgrund der stark nichtlinearen Kopplung von Energie- und Stofftransport mit der chemischen Reaktion diese Momente in der Regel nicht zu vernachlässigen.

Dieser Problematik begegnet man bei der Verwendung von PDF-Modellen dadurch, dass die statistische Verteilung (PDF) und damit - im Idealfall - auch alle auftretenden Momente der zu beschreibenden Größen, explizit berechnet wird.

Um den damit verbundenen Aufwand bei der Simulation zu begrenzen, werden die PDF in verschienen Stufen der Vereinfachung, von der Monte-Carlo-Simulation der mehrdimensionalen Verbundwahrscheinlichkeit („joint-pdf", JPDF) bis zur Modellierung der JPDF unter Verwendung einer angenommenen Form (sog. „presumed-pdf"-Modelle in Zusammenhang mit RANS und LES Turbulenzmodellen), berechnet.

 
Ausführliche Beschreibung

Zusäzliche Informationen zu diesem Thema
 
 

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


Modelling of unsteady combustion in low emission systems
(MUSCLES)

Die 2-Bereichs-1-Schritt-Kinetik soll für die Verbrennung hoch-verdünnter Kohlenwasserstoff/Luft-Gemische erweitert und an Hand des Vergleichs von Berechnungen für laminare, vorgemischte Flammen mit Ergebnissen detaillierter Mechanismen validiert werden.

Das so entwickelte erweiterte Kinetik-Submodul wird implementiert und getestet.

Für einen isothermen Testfall soll zunächst das isotherme Strömungsfeld berechnet und mit experimentellen Daten verglichen werden. Aus diesem Vergleich folgende notwendige Modifikationen des JPDF-Moduls werden anschließend vorgenommen.

Für den reagierenden Fall werden PDF-Berechnungen mit verfügbaren experimentellen Daten verglichen. Das JPDF-Modell wird angepaßt mit dem Ziel, die gewünschte Genauigkeit für die Berechnung der mageren Verlöschgrenze zu gewährleisten. Abschließend werden die Fähigkeiten des Moduls durch Berechnung magerer Verlöschgrenzen bei verschiedenen Betriebsparametern demonstriert


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.

Computational Fluid Dynamics for Combustion
(CFD4C)

Weiterentwicklung und Anwendung der 2 Bereichs- Kinetik (Habisreuther) für Methan, Dekan, und einen Kerosin-Ersatzstoff bei relevanten Vorwärmtemperaturen und Vordrücken. Implementierung der Reaktionskinetik in ein presumed JPDF Modell und Anwendung auf einen Testfall. Ein weiters Ziel ist die Implementierung eines generischen Softwaremoduls, dass die Einbindung des turbulenten Reaktionsmodells in die kommerzielle CFD Software Fluent ermöglicht. Dieses soll dann im Rahmen des EU Projekts auf Funktionalität geprüft werden.