Large-Eddy Simulation und Analyse turbulenter, rußender Flammen

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht die Rußevolution in drei turbulenten, rußenden, halb-technischen Ethylenflammen, die mit Hilfe von Grobstruktursimulation (LES, „large-eddy simulation“) und einem Finite-Raten Chemie (FRC) Verbrennungsmodell simuliert werden. Bei den Flammen handelt es sich um eine abgehobene Freistrahlflamme (AFF), eine flammenhalterstabilisierte Strahlflamme (FSF) und eine Modellbrennkammer (MBK) für Fluggasturbinen. Für die MBK werden drei Betriebspunkte betrachtet. Die Ziele dieser Arbeit sind die Durchführung der komplexen Simulationen und die ausführliche Analyse der Ergebnisse. Dadurch sollen Weiterentwicklungsmöglichkeiten für Rußmodelle für halb-technischen Flammen identifiziert und das generelle Verständnis der Rußevolution in solchen Flammen verbessert werden. Ruß entsteht bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit lokalem Brennstoffüberschuss. Gelangt Ruß in die Umwelt, hat dies direkte, negative Folgen nicht zuletzt für den Menschen und das Klima. Die Rußemissionen des Luftverkehrs fördern beispielsweise die Kondensstreifenbildung und damit die Erderwärmung. Außerdem ist Ruß krebserregend. Die Vielzahl an negativen Folgen von Rußemissionen macht deren Reduktion unumgänglich. Auch aus technischer Sicht ist Ruß oft unerwünscht, da seine Präsenz zu Wärmeverlusten führt und ein Zeichen unvollständiger Verbrennung ist. Daher besteht ein hoher Bedarf an genauen Modellen zur Rußvorhersage in Flugtriebwerksbrennkammern. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Rußevolution besser verstehen, was wiederum die Entwicklung schadstoffarmer Triebwerke erleichtert. Aus chemischer Sicht ist die Rußevolution sehr komplex, da eine Vielzahl an Reaktionen, die in nichtlinearer Weise von Temperatur und Mischung abhängen, zur Rußbildung, -wachstum und -oxidation beitragen. Zudem ist die Rußbildung nicht vollständig verstanden. Daher ist die Rußmodellierung immer noch Gegenstand der Forschung. Das in dieser Arbeit genutzte Rußmodell wurde zuletzt von Eberle [70] weiterentwickelt und wird im Folgenden als „DLR-Rußmodell“ bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein Sektionalmodell für die Rußvorhersage in Ethylenflammen, welches sehr detailliert und dadurch beim Einsatz in LES relativ teuer ist. Um sinnvolle Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufzuzeigen, führt diese Arbeit die Modellvalidierung des DLR-Rußmodells in turbulenten Flammen fort und vergleicht sie mit der bereits erfolgten Validierung in laminaren Flammen. Erstmals wird auch ein Vergleich der Partikelgrößenverteilung (PSD, „particle size distribution“) zwischen verschiedenen laminaren und turbulenten Flammen gezeigt. Zum besseren Verständnis der Rußevolution werden die sehr umfangreichen, zeitaufgelösten Ergebnisdatensätzen der fünf LES, je nach Qualität der Rußvorhersage, ausführlich analysiert. Die Rußvorhersage in der AFF ist exzellent, was eine Untersuchung zum Einfluss der Vormischung auf die Rußevolution ermöglicht. In der MBK werden Rußbildung und -wachstum vom DLR-Rußmodell sehr gut wiedergegeben, was eine Analyse der Rußdynamik unter Berücksichtigung des Einflusses verschiedener Betriebsbedingungen erlaubt. Die Form der Rußverteilung in der FSF wird vom DLR-Rußmodell zwar gut vorhergesagt, die Rußkonzentration aber deutlich überschätzt. Daher ergänzt die FSF vor allem den Vergleich zwischen laminaren und turbulenten Flammen, während eine Analyse lediglich die PSD betrachtet. Diese Arbeit verdeutlicht, dass die Rußevolution in turbulenten Flammen, insbesondere in der MBK, bei höheren Temperaturen und über einen breiteren Mischungsbereich stattfindet, als in den laminaren Flammen, die typischerweise zur Validierung von Rußmodellen genutzt werden. Daraus folgt, dass alle Rußmodelle die in turbulenten Flammen eingesetzt werden sollen, auch unter solchen Bedingungen validiert werden müssen. Dies kann beispielsweise durch das vermehrte Einbeziehen von Stoßrohrexperimenten geschehen. Außerdem unterstreichen die durchgeführten Auswertungen den Bedarf an geeigneten Experimenten zur Validierung der Rußoxidation durch das OH-Radikal. Des Weiteren zeigt die Analyse die Vorteile auf, die eine Modellvalidierung an verlässlichen korrelierten Messungen und an Messungen der PSD bieten würden. Eindeutiges Verbesserungspotenzial besteht in der Modellierung der nicht-aufgelösten Turbulenz-Ruß-Interaktion. Auch für das DLR-Rußmodell beleuchtet diese Arbeit Möglichkeiten zur Optimierung. Allerdings wird das Hinzufügen neuer Teilmodelle, wie einem Rußalterungsmodell, nicht empfohlen, da der Nutzen den gesteigerten Rechenzeitbedarf nicht rechtfertigt. Die Analyse der AFF zeigt, dass das Abheben der Flamme zu einer Vormischung von Brennstoff und Oxidator führt und Rußbildung und -wachstum dadurch hauptsächlich im vorgemischten Verbrennungsregime stattfinden. Der Vergleich der PSDs offenbart große Unterschiede zwischen den untersuchten Flammen. Effiziente Rußmodelle, die zukünftig zur Anwendung in technischen Flammen entwickelt werden, sollten daher in der Lage sein, den Einfluss der PSD-Form und der Vormischung auf die Rußevolution abzubilden. Die erstmalige, quantitative Analyse von Rußdynamiken mittels „multiresolution proper orthogonal decomposition“ (MRPOD) ermöglicht es, die intermittente Rußevolution in der MBK zu verstehen. Sie wird in allen untersuchten Betriebspunkten von einer symmetrischen, niederfrequenten Dynamik im Mischungsbruchfeld nahe des Injektors verursacht, die wiederum durch Dynamiken im Strömungsfeld beeinflusst wird. Die Sekundärlufteinblasung der MBK erhöht die Intensität der Intermittenz, während eine erhöhte Brennstoffzufuhr die Amplitude der Intermittenz verringert. Zwar lässt diese Analyse wegen des speziellen Designs der MBK nur wenig Rückschlüsse auf die Rußevolution in realen Flugtriebwerksbrennkammern zu, allerdings kann die entwickelte Vorgehensweise ohne weitere Anpassungen auf Simulationen solcher Brennkammern übertragen werden.