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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Strömungs- und Verbrennungsinstabilitäten

Neben der Einhaltung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Schadstoff-Emissionsgrenzwerte stellt die über den gesamten Regelbereich sichere Gewährleistung eines stabilen Verbrennungsprozesses eines der größten Probleme bei der Entwicklung und Optimierung neuer Verbrennungssysteme dar. Da bei dem heutigen Wissensstand keine sicheren Vorhersagen zum Stabilitätsverhalten der Komponenten Brenner/Brennkammer während der Auslegung möglich sind, verursacht das Auftreten periodischer Verbrennungsinstabilitäten häufig zeit- und kostenintensive Untersuchungen und Modifikationen an der Originalausführung bei der Inbetriebnahme.

Diese sich selbst erhaltenden, d.h. selbsterregten Druck-/Flammenschwingungen sind in einem geschlossenen Rückkopplungskreis durch zeitperiodisch korrelierte Schwankungen des globalen Brennstoff- Reaktionsumsatzes der Flamme und des statischen Druckes in der Brennkammer sowie in vor- oder nachgeschalteten Anlagenteilen gekennzeichnet.

Nach am Lehrstuhl für Verbrennungstechnik erarbeiteten Erkenntnissen ist für das Auftreten von selbsterregten Druck-/Flammenschwingungen die Bildung und Abreaktion kohärenter, turbulenter Wirbelstrukturen als wichtigster Anregungs-/Erhaltungsmechanismus in technischen Verbrennungssystemen (mit drall- bzw. staukörperstabilisierten Vormisch- und Diffusionsflammen) anzusehen.



Zusäzliche Informationen zu diesem Thema
  • Messung und Berechnung der Resonanzcharakteristiken von Brenner/Brennkammer-Konfigurationen
     

    Im Rahmen dieses Schwerpunkts werden folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


    Machine learning for Advanced Gas turbine Injection SysTems to Enhance combustoR performance
    (MAGISTER)


    Das Projekt wird im Rahmen von Marie Skłodowska-Curie Actions als Innovative Training Network (ITN) gefördert.

    Der Luftverkehr wird in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich weiter wachsen. Saubere Verbrennungstechnologie für Flugzeugtriebwerke ist ein Schlüsselfaktor, um die Auswirkungen dieses Wachstums auf die Ökosysteme und die Gesundheit der Menschen zu verringern. Die Vision für den europäischen Luftverkehr wird durch die Ziele des Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe in the Flight Path 2050 geprägt, das strenge Vorschriften zu Schadstoffemissionen definiert.

    Um diese Ziele zu erreichen, entwickeln die großen Motorenhersteller mager vorgemischte Brennkammern, die mit sehr hohem Druck betrieben werden. Diese Entwicklung birgt ein großes Risiko für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Motoren: Druckschwankungen in der Brennkammer, die als Thermoakustik bezeichnet werden.

    Die Luftfahrtindustrie erlebt derzeit die vierte industrielle Revolution: Cyberphysikalische Systeme analysieren und überwachen technische Systeme und treffen automatisierte Entscheidungen. Diese industrielle Revolution wird in Deutschland als "Industrie 4.0" und in den USA als "Industrial Internet" bezeichnet. Ein wesentlicher Treiber der vierten industriellen Revolution ist Machine Learning.

    Das ITN MAGISTER wird Machine Learning nutzen, um die Thermoakustik in Flugzeugtriebwerksbrennkammern vorherzusagen und zu verstehen, und die Verbrennungsforschung zu einem revolutionären neuen Ansatz in diesem Bereich hinzuführen.


     

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


    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.


    Weitere Ergebnisse können auf dieser Seite betrachtet werden.


    Peroxid Poolflammen
    (ZN11766_10)
    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.



    .


    Low Emissions Core-Engine Technologies
    (LEMCOTEC)
    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.