DPG (1)
ThVSIEGEN
Turbulente Verbrennung
Friedrich Dinkelacker
Lehrstuhl für Thermodynamik und VerbrennungInstitut für Fluid- und Thermodynamik
Fachbereich MaschinenbauUniversität Siegen
DPG - Arbeitskreis Energie - Bad Honnef - 20. April 2007
Lehrstuhl für Thermodynamik und Verbrennung
DPG (2)
ThVSIEGEN
Über 90% der weltweiten technischen (*) Energienutzung geschieht über Verbrennungsvorgänge:
Pratt&WhitneyPW 4000
Turbulente Verbrennung
• Stromerzeugung KohlekraftwerkeGas-Kraftwerke
• Wärmenutzung HeizungFeuerungen
• Verkehr
(*) Direkte nichttechnische Solarenergienutzung (Licht, Wärme, Photosynthese) ist allerdings vielfach höher (H. Scheer)
DPG (3)
ThVSIEGEN
Turbulente Verbrennung
Turbulente Strömung
Chemische Reaktion
+
DPG (4)
ThVSIEGEN
Turbulente Verbrennung
DPG (5)
ThVSIEGEN
Turbulente Verbrennung
"Reaktionsmechanismus"(325 Elementarreaktionen, 53 Spezies)
+
DPG (6)
ThVSIEGEN
Turbulente StrömungMolekularer Transport
Chemische Reaktion
++
Turbulente Verbrennung
DPG (7)
ThVSIEGEN
T3
Kompr. Turb
Br
L pTraditionell:
• 1 Bilanzraum
Methodik thermodynamischer Analyse
Bsp.: Wirkungsgrad bestimmt durch T3 und p
Wirkungsgrad
Schadstoffe
Flammenstabilität),,,(
),,,(
),,,(
),,,(
tzyxq
tzyxY
tzyxU
tzyxT
i
Heute:
• Detailkenntnis
• 106 Kontroll-volumen
Bsp.: Flamme-Wirbel-Wechselwirkung
DPG (8)
ThVSIEGENInhalt
1. Turbulente VerbrennungFlammentypenLaminare FlammeTurbulente Flammen
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (9)
ThVSIEGENFlammentypen
Diffusionsflamme
Vormischflamme
Brennstoff
Luft
Mischung (Diffusion)
+ Reaktion
Abgas
Brennstoff
LuftMischung
AbgasReaktion
Br + L
Diffusionsflammen:gelbbesser verstanden (weil Mischung ratenbestimmend)
Vormischflammen:blauReaktionsort hängt empfindlich von Wechselwirkung Strömung - Reaktion ab
DPG (10)
ThVSIEGEN
Vormischflamme (Premixed Flame)
Diffusionsflamme (Nonpremixed Flame)
Fotos von F. Dinkelacker, 2005
Butan/LuftAuslassdurchmesser 18 mmBrennstoffstrom ist konstant gehalten
Flammentypen
DPG (11)
ThVSIEGEN
Turbulente Vormischverbrennung
Gasturbinen: • Diffusionsflamme -> Vormischflamme• Schadstoffarm 250 -> 25 ppm NOx
Hohe Turbulenzintensität• erhöhte Leistungsdichte• Turbulenz-Flamme Wechselwirkung ?• Flammenstabilität ?
137 MW/m³20 MW/m³10 MW/m³Quelle: Siemens
DPG (12)
ThVSIEGEN
Molekularer Transport
Chemische Reaktion
+
Laminare Verbrennung
DPG (13)
ThVSIEGEN
Molekularer Transport
Laminare Verbrennung
Wärmestrom
Stoffstrom
Temp.-Gradient
Konz.-Gradient
Soret-Effekt
(Dufour-Effekt)
Fourier'sches Gesetz
Fick'sches Gesetz
(oft gering, vernachlässigt)
Prozess: ungeordnete molekulare Bewegung
Thermal Diffusion a = λ /ρ cp [m2/s]
Diffusionskoeffizient D [m2/s]
DPG (14)
ThVSIEGEN
Laminare Verbrennung
Chemische Reaktion
Reaktion:
⎯⎯→kA + B + ... D + E + ...
Reaktionsgeschwindigkeit:
[ ] [ ] [ ]⋅ ⋅ ⋅a bd A = - k A B ....
dt
- exp )( ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛⋅⋅=RT
E TA Tk Ab
Arrheniusgesetz:
DPG (15)
ThVSIEGEN
Reaktionsmechanismus
"Reaktionsmechanismus"(325 Elementarreaktionen, 53 Spezies)
DPG (16)
ThVSIEGEN
Zusammenfassung der Grundprozesse
Diffusion(Spezies, Wärmeleitung)
2
2
AA Y
xD
t
Y
∂∂
⋅=∂
∂ AA Y
xu
t
Y
∂∂
⋅−=∂
∂ ... ±⋅⋅
∂∂
BAAA YYkwt
Y~~
Konvektion Reaktion
(2. Ortsableitung) (1. Ortsableitung) (0. Ortsableitung)
x
YA
t2
t1
xx
Quelle*: Warnatz, Maas, Dibble
Laminare Verbrennung
DPG (17)
ThVSIEGEN
Detaillierte Berechnung jetzt möglich (CHEMKIN)
Br, Ox
x
Radikale
PrT
sL
δL ≈ 0,5 mm
Thermod.-Datenhi (T)cpi (T)
Transport-DatenDij (T)
a=λ/ρcp (T)
Reaktionskinetik(ca. 325 Reaktionen)
Lam. Brenn-geschwindigkeit sL
(typ. sL= 0.3 m/s)
Lam. Flammen-frontdicke δL
(typ. δL= 0.5 mm)
Laminare Vormischflamme
DPG (18)
ThVSIEGEN
Laminare Vormischflammen
Bsp.: Flammenausbreitung in ruhendem Gemisch
sLBr.+ Luft
Flammenfront
Ab-gas
Laminare Brenn-geschwindigkeit sL
Vol.-% Brennstoff
sL [cm/s]
Quelle*: Warnatz, Maas, Dibble
Theoretische Approximation:
Lchen
as
τ≈
DPG (19)
ThVSIEGEN
Warum turbulente Verbrennung ?Vermischung wird unterstützt Wärmefreisetzung/Volumen steigt
kleinere Brennräume möglich (Motor, Flugtriebwerk)
n. Hottel u. Hawthorne, 3. Comb. Symp. (1949)
Brenngas-Strom
h
Turbulente Verbrennung
DPG (20)
ThVSIEGEN
Flammenzone
(flame brush)
Flammenfront
(flame front)
Überlagerung von Momentanaufnahmen
Gemittelte Betrachtungsweise
Br. + Luft
Struktur turbulenter Vormischflammen
DPG (21)
ThVSIEGEN
Turbulente Strömung:• zeitabhängige fluktuierende Geschwindigkeiten• dreidimensional• Wirbelstrukturen (z.B. Karman'sche Wirbelstraße)• chaotisch, nichtlinear
an einem Ort x gemessen
t
u(t)
)()( tuutu ′+=
Turbulenzgrößen
Lx
lk
Schwankungsgeschwindigkeit u' = urms
Makrolänge Lx
Mikrolänge lk
DPG (22)
ThVSIEGENWechselwirkung Turbulenz - Chemie
Borghi-Peters-Diagramm
laminar
Turbulenz-intensität(normiert)
Turbulenz-Makrolänge
(normiert)L
xL
δlog
Ls
u′log
Anwendungen sind dazwischen !
Gas-turbine
Motor
2 Extremfälle bekannt:Da << 1 schnelle MischungDa >> 1 schnelle Chemie
schnelle Chemie
schnelle Mischung
"Gewellte laminare Flamme"
"homogenerRühr-Reaktor"
Ret = 1
102
104
106
νx
t
LuRe
⋅′=
Turbulente Reynoldszahl
(Umdrehung großer Wirbel)
(Durchquerung durch lam. Flamme)
Da = 1
Da = 102
Da = 10- 2
Da = 104
Da = 10- 4
LL
x
reak
turb
s
uLDa
/
/
δττ ′
==
Damköhlerzahl
DPG (23)
ThVSIEGEN
laminar
"Rühr - Reaktor"
schnelle Durchmischung Da << 1
"Dicke turbulente Flammen"
Da = 1 δL
Turbulenz-intensität(normiert)
Turbulenz-Makrolänge
(normiert)L
xL
δlog
Ls
u′log
u' = sL
schnelle Chemie"Gewellte Flammen"
"Gefaltete Flammen"
Experimentelle Verifizierung ?
Turbulente VormischverbrennungBorghi-Peters-Diagramm (Borghi 1985, Peters 1986)
Gas-turbine
Motor
Ka = 1
Ret = 1
DPG (24)
ThVSIEGEN
Flammenfront verdickt zu δ∗, wenn kleinste Wirbel η(Kolmogorov Länge) < lam. Flammenfrontdicke δL
Karlovitzzahl Ka = (δL/η)2 > 1(Klimov-Williams Kriterium)
Erwartung Verdickte Flammen
Flammen-front
η
Lx
unverbrannt
verbrannt
δ∗
Erwartung
(n. Turns)
DPG (25)
ThVSIEGENInhalt
1. Turbulente VerbrennungFlammentypenLaminare FlammeTurbulente Flammen
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (26)
ThVSIEGENErste 2D-Messung in Flamme
Michael Faraday 1860"Lectures on the chemical history of a candle"
DPG (27)
ThVSIEGENMethodik: Planare Lasermesstechnik
Bild-Verstärker
CCD -Kamera
- Streulicht- Fluoreszenz
PC
Monitor
Laser-Licht-Schnitt
Laserstrahlz.B. λ = 248 nm
15 ns
Zylinderlinse
Flamme
Filter
• Berührungsfrei• 2 dimensional (106 Messpunkte)• Räumliche Auflösung < 100 µm³ • Belichtungszeit 15 ns
Messgrößen:• Temperatur• Spezies• Geschwindigkeit
DPG (28)
ThVSIEGEN
Wellenlänge
RAYLEIGH-Streuung (LRS)(Moleküldichte --> Temperatur)
MIE-Streuung(Teilchenbewegung --> Geschwindigkeit, PIV)
Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF)(Spezies)
Anregung
Methodik: Planare Lasermesstechnik
Signaltrennung durch
• Spektralfilter• Messung fast gleichzeitig
sehr kurz hintereinander (Abstand 100 ns)
DPG (29)
ThVSIEGEN
Flammeneigenleuchten1/30 s Belichtungszeit70 x 90 mmStaukörperstabilisierte-Flamme
Momentanstruktur im Laserlichtschnitt15 ns Belichtungszeit2D-Rayleigh-Thermometrie
F. Dinkelacker, A. Soika, D. Hofmann, D. Most, A. Leipertz, Proc.11th Int. Heat Transfer Conf., Kyongju, Korea, 7, 373 (1998).
Planare Lasermesstechnikin turbulenter Flamme
DPG (30)
ThVSIEGEN
Beispiel: Aufbau Simultanmessung
Simultanmessung LRS / LIF
Frequenzverschiebung des LIF-Signals Signaltrennung LRS/LIF möglich
DPG (31)
ThVSIEGEN
D = 80 mmQ = 50 - 130 kWU = 4.7 - 16,5 m/sRe = 20.000 - 85.000Returb = 60 - 2400Erdgas / Luft
Exp.: Dinkelacker, Schäfer, Buschmann, Wolfrum; Heidelberg 1993
U
u'
Beispiel TECFLAM Vormisch-Bunsenflamme
Physikalisch-Chemisches InstitutUniversität Heidelberg
PCI
DPG (32)
ThVSIEGENBeispiel TECFLAM Vormisch-Bunsenflamme
D = 80 mmQ = 100 kWRe = 35.000Ret = 340Ka = 0,5
Flammeneigen-leuchten
Laserlicht-schnitt
(OH LIF)(15x10 cm)
A. Buschmann, F. Dinkelacker, M. Schäfer, J. Wolfrum 1993
Physikalisch-Chemisches InstitutUniversität Heidelberg
PCI
OH Konzentration (in Falschfarben)
DPG (33)
ThVSIEGENLokale Flammenstruktur
Leicht gefaltete Flamme Ret = 340 Ka = 0,09
OH
T
(grad OH)²
(grad T)²
Physikalisch-Chemisches InstitutUniversität Heidelberg
PCI
F. Dinkelacker 1993
DPG (34)
ThVSIEGEN
Ende Flamelet-Bereich Ret = 16500 Ka = 5,0
OH
T
(grad OH)²
(grad T)²
Lokale FlammenstrukturPhysikalisch-Chemisches Institut
Universität Heidelberg
PCI
F. Dinkelacker 1993
DPG (35)
ThVSIEGENIst Flammenfront verdickt für Ka > 1 ?
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0 1 2 3 4 5 6
Karlovitz number Ka
δδ
V-Flamme
Tecflam HD, 1996
Laminar Rechnung
Lam. gestreckte Re.
Ergebnis
• Verdünnung des Temperatur-anstieges statt erwarteter Verdickung für Ka > 1
• Trend entspricht laminar "gestreckter" Rechnung
Folgerung
• "Streckungseinfluss" dominiert gegenüber "eindringenden" kleinen Wirbeln
Flammenfrontdicke (Temperatur) Mittelwerte (je 18000 Messungen)im Vergleich mit laminarer Rechnung (CHEMKIN)
Soika, A., Dinkelacker, F., Leipertz, A., Proc. Combust. Inst. 27, 785 (1998).
DPG (36)
ThVSIEGEN
Turbulenz-Flamme-Wechselwirkung
Im Borghi-Diagramm nicht berücksichtigte Erscheinungen sind auch von Bedeutung !
"Streckung"
DPG (37)
ThVSIEGEN
Keine deutliche Verdickung(teilweise sogar Verdünnung)
Dünne Reaktionszone,Lokal veränderte Vorheizzone
δV = 8 ηkalt
Experim. Ergebnisse Flammenstruktur
0,1
1
10
100
0,1 1 10 100 1000
l x / δ L
u'/s L
η0 = δF
ηi = δi
Ret = 600
Dinkelacker, 20. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte Nr. 1629, S. 473 (2001)Dinkelacker, Habilitations-Schrift, Erlangen (2001)
Bereich der gefalteten Flammen (Flamelet) deutlich ausgedehnter als erwartet
Einfluß der Kolmogorov-Wirbel überschätzt
DPG (38)
ThVSIEGENInhalt
1. Turbulente VerbrennungFlammentypenLaminare FlammeTurbulente Flammen
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (39)
ThVSIEGEN
NO
Bren
nkam
mer
Gas
turb
ine
Luftzahl λ
NO
x-E
ntst
ehun
g
VermischungsoptimierungEinfluss auf NOx-Bildung
Gasturbinen vor 15 Jahren
Kooperation mit Siemens-KWU
• H. Krämer, F. Dinkelacker, A. Leipertz, G. Poeschl, M. Huth, M. Lenze, ASME Paper No. 99-GT-135 (1999).
• F. Dinkelacker, H. Krämer, A. Leipertz, G. Poeschl, M. Huth, M. Lenze, 19. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1492, 475 (1999).
1
schlechte Vermischung
gute Vermischung
Luftzahl λ
NO
x-E
ntst
ehun
g
DPG (40)
ThVSIEGEN
Ringbrennkammer einer Gasturbine(Siemens/KWU, V84.3A)
DPG (41)
ThVSIEGEN
Siemens V64.3A Ringbrennkammer-Segment mit 5 Brennern, Originalgröße, Mischung am mittleren Brenner wird untersucht, 1 bar, ohne Flamme
Acetondampf als Tracer zum Brennstoffstrom gemischt, LIF-Anregung 248 nm, LIF-Detektion 350 - 600 nm
VermischungsoptimierungRingbrennkammer-Segment
DPG (42)
ThVSIEGEN
a
Ohne Mischer Mit Mischer
c
cR rms′
≡
Lochplatte
Vermischungsoptimierung
fe
Einlass Vormischkanal: Turbulenzerzeuger
Relative Gemisch-fluktuation
DPG (43)
ThVSIEGEN
a
Ohne Mischer
c
cR rms′
≡
Ohne Mischer, viele Wochen später bei komplett neuem optischen Aufbau
Test der Wiederholbarkeit
b
VermischungsoptimierungNormierte relative Gemischfluktuation
DPG (44)
ThVSIEGEN
0
1
2
3
4
5
6
7
1200 1300 1400 1500 1600 1700
Flame Temperature [°C]
NO
x (a
rb. u
nit
s)
without mixerwith mixer
0
10
20
30
40
1200 1300 1400 1500 1600 1700Flame Temperature [°C]
Rel
ativ
e N
Ox
Red
uct
ion [%
]
Durchgeführt von Siemens-KWU
VermischungsoptimierungNOx-Emission - Gefeuerter Brennerprüfstand
1 bar
DPG (45)
ThVSIEGENInhalt
1. Turbulente VerbrennungFlammentypenLaminare FlammeTurbulente Flammen
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (46)
ThVSIEGENMethodik: Numerische Berechnung
Bilanzgleichungen für turbulente reaktive Strömungen (zeitabhängig)
Gesamtmasse(Kontinuitätsgleichung)
Impuls (3 Gl.)(Navier-Stokes)
Energie
Spezies (N Gl.)
Einstein'sche Summenkonvention:
Akkumu-lation
Konvek-tion
Diffusion Quellterm
∑= ∂
∂≡
∂∂ 3
1ii
ii
i
)u(x
)u(x
ρρ
ααα ωρρ
ρρ
ρτ
ρρ
ρρ
α+
∂∂
−=∂∂
+∂
∂
+∂∂
−=∂∂
⋅+∂∂
+∂∂
−∂∂
−=∂∂
+∂
∂
=∂∂
+∂∂
iYii
i
Riqii
i
jji
ijji
i
j
ii
jxx
Yu
t
Y
qjxx
hu
t
h
gx
p
xuu
xt
u
)u(xt
)(
0
DPG (47)
ThVSIEGEN
Gesamtmasse(Kontinuitätsgleichung)
Impuls (3 Gl.)(Navier-Stokes)
Energie
Spezies (N Gl.)
Turb. kin. Energie
Turb. Diss.rate ...~
~~
...~
~~
)(~
~~
)(~
~~
)()~~(~
0~
~
~
~
=∂∂
⋅+∂∂
=∂∂
⋅+∂∂
+′′′′∂∂
−∂∂
−=∂∂
+∂
∂
+′′′′∂∂
−∂∂
−=∂∂
⋅+∂∂
+∂∂
−′′′′∂∂
−∂
∂−=
∂∂
+∂
∂
=∂∂
+∂∂
ii
ii
ii
iYii
i
Rii
iqii
i
jj
jiii
ijji
i
j
ii
xu
t
x
ku
t
k
Yux
jxx
Yu
t
Y
qhux
jxx
hu
t
h
gx
puu
xxuu
xt
u
)u(xt
ερερ
ρρ
ωρρρ
ρρρ
ρρτ
ρρ
ρρ
αααα
α
α
Problematisch sind diese Terme ...
... Modelle nötig!
Methodik: Numerische BerechnungGemittelte Bilanzgleichungen (Dichte-Mittelung)
Lösung mittels numerischer Methoden der Computational Fluid Dynamics (CFD) auf ~ 106 Gitterpunkten
Gemittelter Arrheniusansatz falsch !
DPG (48)
ThVSIEGENWarum ein Arrhenius-Ansatz nicht funktioniert
Gemittelte Berechnung
Bsp. CH4 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O
Arrhenius-Ansatz:
KT 300=
KT 200.1=
KT 100.2=
Realität: Dünne Flammenfront(< 0.5 mm), oszilliert
KTK
KT
KT
2100300:%4
300:%48
2100:%48
<<==
Gemittelt: Völlig falsches Ergebnis
BAABAA YYTREAYYRTEA ⋅⋅−⋅≠⋅⋅−⋅ )exp()exp(~αω
DPG (49)
ThVSIEGENFlamelet-Ansatz für Vormischflammen
Flamelet-Idee:
• Gefaltete laminar-ähnliche Flamme
• Flamme beschrieben durch mittleren Reaktionsfortschritt
= Wahrscheinlichkeit, verbranntes Gas zu finden
• 1 Transportgleichung für mittleren Reaktionsfortschritt (statt N Speziesgleich.)
• Reaktionsrate wie im laminaren Fall x Faltungsfaktor Σ
Σρ= 0Isw Luc
cc
wie turbulente Flammengeschwindigkeit sT
( ) ( ) ci
t
ii
i
wx
c
Scxcu
xc
t+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂ν
ρ∂∂
=ρ∂∂
+ρ∂∂
DPG (50)
ThVSIEGEN
Wie schnell breitet sich eine Flammenfront aus?
• Waldbrand
Flammenausbreitung
Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig von • Brennstoff-/Luft-Angebot• Reaktionsrate • Ausbreitungsmechanismen• ....
Warnhinweis Indien
Versuch Cottbus 23.8.2001: 4-9 m/min
DPG (51)
ThVSIEGEN
Wie schnell breitet sich eine Flammenfront aus?
• Laminare Vormischflamme
• Turbulente Vormischflamme
• Detonations-Welle
• sL ≈ 0,5 m/s
• sT ≈ 5 m/s
• v ≈ 1000 m/s !
Flammenausbreitung
Warum ?
Welche Mechanismen ?
DPG (52)
ThVSIEGEN
Mechanismen
• Laminare Vormischflamme
• Turbulente Vormischflamme
• Detonations-Welle
• Flammenausbreitung thermisch-chemisch• Druckanstieg unbedeutend• sL ≈ 0,5 m/s ('langsam' !!!) (0,1 - 2 m/s)
• Flammenausbreitung thermisch-chemisch • Turbulente Faltung und Rückmischung
unterstützt Ausbreitung• sT ≈ 5 m/s (1 - 20 m/s)
• Flammenausbreitung durch Druckwelle• Druckwelle induziert Zündvorgang• mit Schallgeschwindigkeit
(typ. v ≈ 1000 m/s !)
Flammenausbreitung
Wärmeleitung
Diffusion
heißkaltBr./ Luft
Ausbreitung sL
heiß
kalt
ResultierendeAusbreitung
sT
sLu'
u'
Turbulenz
Schallgeschwindigkeit
Druckwelle
Temp.
Def
lag
rati
on
Det
on
atio
n
DPG (53)
ThVSIEGENTurbulent Flame Speed Modell für turb. Vormischflammen
Ort der Reaktionszone(stat. gemittelt)
,...),,,(Re psufs LtT ′= Turbulenzeinfluss modelliertmit algebraischer Beziehung
Lösung als Subroutine mit Standard-CFD-Programm (Fluent)
Turbulente Brenngeschwindigkeit
Ansatz: (Zimont, Lipatnikov, 1995; Muppala, Dinkelacker, 2004)
Σρ= 0Isw Luc
csT ∇⋅
cA
AT ∇⋅=Σ
A
AT
DPG (54)
ThVSIEGEN
Simulation
(S. Hölzler)
Experiment
2-dim. Rayleigh-Thermometry (A. Soika)
λ = 1.43 λ = 1.72 λ = 2.00
1,0 T-max
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0 T-min
kg/h 18=m
Testfall: V-Flamme Mittlere Temperatur
Dinkelacker, Hölzler, Comb. Sci. Techn. 158, 321 (2000)
DPG (55)
ThVSIEGEN
Modellierung des Druckeinflusses
0,25
0
1 Recb
Tt
L L
s u pa
s s p
⎛ ⎞⎛ ⎞′= + ⋅ ⋅ ⋅ ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 200
300
460
,
,
/,
===
c
b
Lea
Experimentelle Daten (Kobayashi)• 101 verschiedene Bunsen-Flammen• 1 - 10 bar • Methan, Ethylen, Propan • variierte Turbulenzbedingungen
Vergleich Experiment - Rechnung (Bsp.)
Ergebnis (aus Optimierung)
Muppala et al., 21. Dt. Flammentag (2003), Comb. Flame (2005)
Methane / 1-10 bar
0
4
8
12
16
20
24
0 4 8 12 16 20 24
Experiment sT/sL
Cal
cula
tio
n s
T/s
L
ZimontMuppala-Dinkelacker
θ/2
c
D = 20 mm
Flammenwinkel sT/U = sin (θ / 2)
Rechnung
Le = a/DB
DPG (56)
ThVSIEGEN
1.1 million cells; 4x3 GHz / Processor; ~ 96 hrs
Test an hochturbulenter Hochdruckflamme
Vergleich Flammenlänge:
Experiment
RANS-Rechnung
(MD-Modell)
LES-Rechnung
(MD-Modell)
Instantaneous reaction progress
Aluri et al. 2005
DPG (57)
ThVSIEGENZusammenfassung
1. Turbulente VerbrennungFlammentypenLaminare FlammeTurbulente Flammen
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (58)
ThVSIEGENDank ...
Prof. Dr. Edgar Lüscher, Prof. Dr. Alfred Hübler, MünchenProf. Dr. Jürgen Wolfrum, HeidelbergProf. Dr.-Ing. Alfred Leipertz, Erlangen
Mitarbeiter und Kollegen: Daniel Hofmann, Armin Soika, Dieter Most, Hanno Krämer, Ahmad Sakhrieh, Florian Altendorfner, Micha Löffler, Sebastian Pfadler, Jörg Scheuerlein (Experimente)Reddy Muppala, Naresh Aluri, Bhu Manickam (Numerik)
Industriepartner: ABB Research Ltd., Baden (CH) / AlstomSiemens - KWU, Mülheim (Ruhr)Siemens Zentrale Forschung, ErlangenMAN NürnbergWebasto StockdorfBrose CoburgESYTEC Erlangen
Finanzielle Unterstützung: DFG, DAAD, VW-StiftungFreistaat Bayern
Externe Forschungspartner: ZSW StuttgartFhG ISE FreiburgTU-Sofia (Bulgarien) Prof. Stankov, D. Markov Univ. Nis (Serbien) Prof. IlicTU-MünchenUniv. BayreuthTU-Darmstadt
... für Ihre Aufmerksamkeit