Teilprojekt C03 Janicka/Sadiki

Teilprojekt C03 Janicka/Sadiki

LES-basierte Untersuchung der Flamme-Wand-Interaktionen unter innermotorischen Bedingungen

Motivation

Eine wichtige Aufgabe unserer Zeit ist die Untersuchung von Flammen, welche mit relativ kalten Wänden in Kontakt kommen. In nahezu allen technischen Verbrennungsanwendungen, wie beispielsweise bei Motoren und Triebwerken tritt eine solche Situation auf. Durch den Wärmeverlust an den nicht-adiabaten Wänden kommt es zu einer Stagnation der chemischen Reaktionen innerhalb der Flamme. Dies führt zu einer unvollständigen Verbrennung in der Nähe der Wände und verursacht die Bildung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Schadstoffen. Die heutige Entwicklung von Motoren geht in Richtung kompakterer Bauweisen, welche in Folge erhöhter Druckverhältnisse zu höheren Effizienzen führt. Diese Entwicklung erhöht jedoch auch das Verhältnis von Oberfläche und Volumen, was den Einfluss der Wände auf den Gesamtprozess steigert.

Ziele

Das Ziel dieses Projekts ist die Erweiterung der existierenden 'Flamelet Generated Manifold'-Methode (FGM) um die Effekte, welche bei der Flamme-Wand-Interaktion (FWI) auftreten, beschreiben zu können. Das Modell wird schließlich zur dreidimensionalen Abbildung eines Head-On-Quenching-Brenners verwendet und mit Hilfe experimenteller Daten aus TP A04 validiert.

Methode

Das zugrunde liegende Strömungsfeld wird mit dem CFD-Code 'Fastest' bestimmt, welcher für inkompressible Strömungen und strukturierte Gitter entwickelt wurde. Die Verbrennung wird mit der FGM-Methode abgebildet, wobei die Flammenstruktur lediglich durch den Verlauf des CO2-Massenbruch beschrieben wird. Neben dem CO2-Massenbruch wird außerdem der Mischungsgrad und die Enthalpie transportiert. Sie werden zur Bestimmung des CO2 Quellterms benötigt und haben damit einen starken Einfluss auf die Flammengeschwindigkeit.

Die Flamme-Wand-Interaktion zeigt sich grundsätzlich durch eine Verringerung der Enthalpie, was wiederum zu einer Verringerung der Reaktionsraten führt. Aufgrund von Simulationen, die auf der Berechnung der detaillierten Chemie beruhen, lässt sich schließen, dass sich die Art des Enthalpie Entzugs auf die Quellterme der einzelnen Spezies auswirkt. Um diese Abhängigkeit berücksichtigen zu können, muss im Rahmen der FGM-Methode eine zusätzliche Kontrollvariable eingeführt und transportiert werden. Die Identifikation einer solchen Variable wird durch numerische Experimente, die detaillierte Chemie Rechnungen beinhalten, vorgenommen. Dabei müssen verschiedene Parameter und ihre Einflüsse analysiert werden. Potentielle Kandidaten sind Linearkombinationen der Speziesmassenbrüche, Größen des Strömungsfelds und thermodynamische Größen.

Abbildung 1: Staupunktströmung eines Methan-Luftgemischs das aus seiner Düse mit Lufthüllstrom (unten) austritt. Eine sphärische Flamme (gelb) propagiert in Richtung Wand (oben)
Abbildung 1: Staupunktströmung eines Methan-Luftgemischs das aus seiner Düse mit Lufthüllstrom (unten) austritt. Eine sphärische Flamme (gelb) propagiert in Richtung Wand (oben)