CFD-Simulation drallbehafteter Brennerströmung

CFD-Simulation drallbehafteter Brennerströmung und Linear Eddy Modellierung der Schadstoffbildung in magerer vorgemischter Verbrennung

Aus umweltpolitischen Gründen ist es seit einigen Jahren vermehrt ein Bestreben, in Gasturbinen den Schadstoffausstoß vor allem von Stickstoffoxiden (NOx) und Kohlenstoffmonoxid (CO) zu reduzieren. Emmissionsreduktion kann beispielsweise durch eine magere Mischung des Brennstoff-Luft-Gemisches erzielt werden. Allerdings sind magere Vormischflammen anfällig für thermoakustische Instabilitäten, welche die Betriebsfähigkeit und die Effizienz der Turbine verringern können. Mit der Entwicklung von aktiven und passiven Kontrollmethoden wird versucht, diesen unerwünschten Effekten entgegenzuwirken.

Effekt eines Wirbels auf ein skalares Feld (triplet map, eindimensional)

 

Simulierte Flamme des untersuchten Drallbrenners

 

Eine Möglichkeit der aktiven Kontrolle ist die Beeinflussung der Mischung von Brennstoff und Oxidator. Das hier beschriebene DFG-finanzierte Projekt steht in enger Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt B9 des SFB 557, in dem die aktive Kontrolle durch zeitlich und örtlich variable Eindüsungen von Brennstoff in die Luftströmung experimentell untersucht werden.

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen des TP B9 werden im Rahmen dieses Projekts einerseits die Mischungseigenschaften von Brennstoff und Luft und andererseits die Schadstoffbildung bei variierenden Parametern numerisch untersucht. Die numerische Berechnungen des turbulenten, stark verdrallten Strömungsfeldes mit Hinblick auf die Mischung von Luft und Brennstoff mit und ohne Verbrennung werden mit dem kommerziellen CFD- Programmen Fluent & CFX durchgeführt. Die Turbulenz-Chemie- Wechselwirkung und der Einfluss von Mischungsfluktuationen auf die Schadstoffbildung werden mit dem eindimensionalen Linear-Eddy-Modell (LEM) als "Stand-Alone-Modell" modelliert.

Das Linear-Eddy-Model von A. Kerstein (1989/1990) beschreibt molekulare Mischungsvorgänge in Turbulenten Strömungen auf einem eindimensionalen Gebiet. Molekulare Diffusion wird bei diesem Modell deterministisch implementiert und turbulente Mischung wird getrennt davon durch spontane, statistisch unabhängige Ereignisse dargestellt, die an einer bestimmten Stelle des Gebiets die skalaren Größen neu anordnen ("triplet maps"). Auf diese Art und Weise können dreidimensionale Wirbelstrukturen auf eine Dimension übertragen werden.

Der Vorteil der Benutzung des Linear-Eddy-Modells gegenüber herkömmlicher Berechnungsmethoden wie DNS ("Direkte Numerische Simulation"), LES („Large-Eddy-Simulation“) oder RANS ("Reynolds- Averaged-Navier-Stokes-Equations") ist die hohe zeitliche Effizienz bei gleichzeitig großer Genauigkeit. Im Gegensatz zu LES und RANS können mit LEM wie bei der Direkten Numerischen Simulation alle turbulenten Skalen aufgelöst werden. Durch die eindimensionale Struktur ist der Rechenaufwand allerdings deutlich geringer als bei der DNS.

Um ein dreidimensionales Gebiet mit allen Skalen auflösen zu können, kann das Linear-Eddy-Modell außerdem als "Subgrid-Modell" zusammen mit RANS oder LES benutzt werden.

Die numerischen Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen des TP B9 validiert.

Projektbearbeiter:

• Christina Schrödinger
• Michael Oevermann
• Oliver Paschereit