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Verbrennungssimulation in instationären kompressiblen Strömungen
(2014) Kindler, Markus; Gerlinger, Peter (PD Dr.-Ing.)
Turbulente Verbrennung ist ein hochgradig instationärer Prozess mit einer zumeist vielschichtigen chemischen Reaktionskinetik. Bei kompressiblen reagierenden Strömungen mit hoher Geschwindigkeit, wie sie beispielsweise in einer Überschallbrennkammer eines Scramjets (Supersonic Combustion Ramjet) vorkommen, entsteht ein komplexes Zusammenspiel zwischen der chemischen Kinetik und turbulenten Prozessen. Es wird charakterisiert durch molekulare Vorgänge wie Dissoziation und Rekombination von Molekülen,komplexe dreidimensionale Stoßanordnungen und hochgradig turbulente Strömungstrukturen. Die numerische Simulation von turbulenten, kompressiblen reagierenden Strömungen ist daher eine anspruchsvolle Aufgabenstellung und mit zeitgemittelten Verfahren und einfacher Modellierung des Verbrennungsprozesses nur bedingt möglich. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Simulation instationärer Verbrennungsvorgänge in kompressiblen Strömungen. Dabei kommt ein sogenanntes hybrides RANS/LES-Verfahren (Delayed Detached-Eddy Simulation auf Basis eines k-omega Turbulenzmodells) zur hochauflösenden Simulation von turbulenten Strukturen zum Einsatz. Da die Genauigkeit dieser Methode sehr stark von der numerischen Dissipation abhängt, werden die konvektiven Flüsse mittels eines dissipationsarmen Verfahrens hoher Ordnung diskretisiert. Dieser sogenannte Multi-Dimensional-Limiting Process (MLP) ermöglicht die Diskretisierung der konvektiven Flüsse mit einer räumlichen Genauigkeit von bis zu sechster Ordnung. Durch die Berücksichtigung der Information aus diagonalen Zellvolumen wird dabei eine bessere Auflösung von diagonal zum Rechengitter verlaufenden Verdichtungsstößen ermöglicht und das Konvergenzverhalten des numerischen Verfahrens verbessert. Um die Dissipation des numerischen Verfahrens bei instationären Strömungen möglichst gering zu halten, wird ein Stoß-Detektionssensor zur Lokalisierung von Diskontinuitäten implementiert. Zur Berücksichtigung der Turbulenz-Chemie-Interaktion in reagierenden Strömungen wird ein sogenannter Assumed-PDF-Ansatz verwendet. Dieses Verfahren erzielte in der Vergangenheit gute Ergebnisse im Bereich von zeitgemittelten Simulationen und wird in dieser Arbeit auf die Anwendung für hybride RANS/LES-Verfahren erweitert.