Numerische Simulation nasser Verbrennung

Das Forschungsprojekt zur Untersuchung der „Nassen Verbrennung“ (GREENEST) ist zweigeteilt. Die experimentellen Untersuchungen an den Brennkammerprüfständen werden durch numerische Simulationen ergänzt. Der Einsatz von CFD (Computational Fluid Dynamics) resultiert in zeitlich und räumlich hochaufgelösten Feldern. Diese werden mit den experimentell gewonnenen Daten validiert. Dadurch wird die Untersuchung des gesamten Problemfeldes ermöglicht und Einblicke in Bereiche geschaffen, die experimentell nur schwer zugänglich sind. Insbesondere groß- und kleinskalige Phänomene, wie sie bei Verbrennungsprozessen mit großen Massendurchflüssen auftreten, lassen sich auf diese Weise hervorragend darstellen.

Im Rahmen unserer Forschungsarbeiten werden zwei Arten von Brennern untersucht: Drallbrenner und sogenannte "laminare Schlitzbrenner". Drallbrenner werden in stationären Gasturbinen eingesetzt, um die Flammenstabilität bei hohen Massenströmen zu gewährleisten. Drallströmungen weisen eine starke Krümmung der Stromlinien auf und um die Dynamik des Systems hinreichend genau abbilden zu können, werden Large Eddy Simulationen (LES) durchgeführt. Der Einsatz von LES erfordert eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung und stellt einen ganz erheblichen Rechenaufwand dar. Der numerische Aufwand nimmt noch drastisch weiter zu, wenn, wie im aktuellen Forschungsvorhaben, zusätzlich zu dem Strömungsfeld auch der Verbrennungsprozess dargestellt werden soll.

Für die Simulationen stehen ein hauseigener Cluster, sowie die Ressourcen des HLRN (Norddeutscher Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrechnen) zur Verfügung. Als Software werden einerseits die kommerziellen CFD-Programme Fluent & Ansys CFX, anderseits das freie Softwarepaket OpenFOAM eingesetzt.

Laminare Schlitzbrenner finden keine industrielle Anwendung, sind aber von besonderem akademischen Interesse, da sie es ermöglichen, den Einfluss von Wasserdampf auf den Verbrennungsprozess und die laminare Brenngeschwindigkeit direkt zu bestimmen. Sie erzeugen eine laminare und quasi zweidimensionale Flamme. Diese Flamme kann mittels DNS (Direkte Numerische Simulation) simuliert werden. Der Vorteil der DNS liegt in der sehr hohen Genauigkeit der Ergebnisse, der Nachteil in dem gegenüber einer LES nochmals enorm gesteigerten Rechenbedarf. Zur Durchführung der DNS besteht ein Zugang zu Höchstleistungsrechenzentren über das PRACE Programm. Für die Simulation wird das Programm "Pencil Code" eingesetzt.