Modellierung der Turbulenz-Chemie-Interaktion in technischen Brennkammern

Abstract

Die Modellierung von turbulenten Strömungen mit chemischer Reaktion in praxisnahen Brennkammern stellt nach wie vor hohe Ansprüche an heutige Rechnersysteme. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur sinnvollen Vereinfachung der bestehenden Modelle und zeigt Wege auf, adäquate Ergebnisse in vertretbaren Rechenzeiten zu erreichen. Hierfür werden Ergebnisse zeitlich aufgelöster Messungen an Hand numerischer Methoden analysiert. Die Messergebnisse liefern die Wahrscheinlichkeiten, mit der die verschiedenen Kombinationen der Einflussparameter auf die chemische Reaktion auftreten. Diese Größen, die normalerweise vom Strömungslöser bereitgestellt werden, sind hier die Grundlage für den Vergleich verschiedener Modellierungsmethoden für die Bestimmung der mittleren chemischen Quellterme. Insbesondere werden verschiedene Ansätze für die Modellierung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Einflussparameter auf die chemische Reaktion mit den gemessenen Schwankungen verglichen. Aus dem Vergleich der Ergebnisse ergeben sich Kriterien, in welchen Fällen vereinfachte Modelle zur Verringerung der Rechenzeit Anwendung finden können, ohne Einbußen in der Qualität der Ergebnisse hinnehmen zu müssen. Um die Vielzahl von möglichen Berechnungsmethoden flexibel einsetzen zu können, wurde eine Programm-Struktur entwickelt, die das modulare Hinzufügen neuer Modelle zulässt. Durch die neue Programm-Struktur kann das entsprechende Chemiemodell während der Berechnung in Abhängigkeit der lokal herrschenden thermodynamischen Zustände frei gewählt werden. Zur weiteren Effizienzsteigerung wurde ein n-dimensionales Tabellensystem entwickelt, welches sich nach Angabe der geforderten Genauigkeit in Punkto Zugriffszeit und Speicherplatzbedarf automatisch optimiert. Das entstandene Programmsystem zur Bereitstellung der mittleren chemischen Quellen kommt an einem praxisnahen Methan-gefeuerten Drallbrenner zur Anwendung.

Numerical simulation of turbulent combustion sets high demands even on todays modern computer systems. This work delivers a contribution to simplification of the existing models and shows ways to reach good results in justifiable computation times. Existing instationary measurements in combustion chambers show the distribution of prob-abilities for different combinations of parameters in the chemical reactions. These parame-ters, that can also be computed by the CFD-Code, are the base for the comparison of differ-ent numerical modells for the calculation of the mean chemical sources. The focus lies on methods for modellierung the probability density function of the parameters for chemical reactions. The comparison gives criteria in which cases simplified modells can be used to reduce computation time without sacrificing quality in the results. In order to be able to choose different chemical models flexible, a new program structure was developed, that allows to add new models quickly. Now, the corresponding chemistry model can freely be selected during the calculation in dependence of the locally thermody-namical state. To increase the performance of the calculation, a multidimensional tabulation system was developed, which automatically optimizes itself according to the required access time and the possible memory allocation. The developed program system for the calculation of the mean chemical sources is used to simulate the flame in a methane-fired swirl-burner.