Vergleichende LES und URANS des verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzens

Beschreibung

In mager vorgemischter Verbrennung spielt die Stabilisierung der Flamme eine wesentliche Rolle. Ein besonderer Mechanismus der Flammenstabilisierung besteht darin, in einer verdrallten Anströmung mittels Wirbelaufplatzen eine Rezirkulationszone zu schaffen, in der heißes Gas stromauf transportiert wird und dem frischen Gas Energie zuführt. Im normalen Betrieb wird das Wirbelaufplatzen durch die Brennergeometrie am Eintritt zur Brennkammer bewirkt. Unter bestimmten Umständen kann es aber auch durch die Flamme induziert werden, sogenanntes verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen (engl.: combustion induced vortex breakdown, CIVB), so dass die Flamme losgelöst von der Geometrie stromauf propagaiert. In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe numerischer Simulation Stabilitätsgrenzen an zwei verschiedenen Brennern bestimmt und der Mechanismus des CIVB untersucht. Dabei kommen sowohl Reynoldsgemittelte Navier-Stokes Simulation (RANS) als auch Large Eddy Simulation (LES) zum Einsatz. Mit RANS kann bei vergleichsweise geringem Rechenaufwand ein großer Betriebsbereich des Brenners untersucht werden, während LES einen detaillierten Einblick in das dreidimensionale Strömungsfeld bietet, wie es in experimentellen Untersuchungen nicht möglich ist. Zunächst wird ein Verbrennungsmodell für die LES basierend auf dem Lindsted-Vaos Modell für RANS hergeleitet. So sind die Ergebnisse aus RANS und LES direkt miteinander vergleichbar. Die Modelle werden anschließend an einer turbulenten Bunsenflamme sowie einer rückwärts gerichteten Stufe validiert. Schließlich wird der Flammenrückschlag durch CIVB an den zwei Brennermodellen mit RANS und LES untersucht. Experimentelle Daten dienen zum Vergleich des Strömungsfeldes und der Stabilitätsgrenzen. Dann wird mit Hilfe der hoch aufgelösten Daten der LES der Mechanismus des Wirbelaufplatzens bestimmt. Die Analyse der aus den verschiedenen Quelltermen der Transportgleichung für Wirbelstärke induzierten Kräfte im Bereich des Wirbelaufplatzens zeigt, dass in Abhängigkeit von der Einfassung der Drallströmung im Drallrohr sowie vom Drallprofil unterschiedliche Mechanismen das CIVB bewirken können. Während der Flammenrückschlag immer von einem baroklinen Impuls eingeleitet wird, bestimmen im weiteren Verlauf entweder die Streckung der Drallströmung um die Flamme herum oder weiterhin der barokline Anteil das Wirbelaufplatzen.

Autor*in

Eike Tangermann

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