CIVB

Vergleichende URANS und LES des verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzens

als Teil von Flammenbeschleunigung in Wirbelröhren durch
verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen (CIVB)
.


Überblick

Das Vorhaben verfolgt das Ziel, eine verbesserte Modellierung des Flammenrückschlags beim verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzen in einer Rohrströmung zu entwickeln. Als Basis für die Modellierung wird das extended BML-Modell gewählt. Die entwickelten Modelle sollen zunächst in 2-D und apäter auch 3-D-URANS-Simulationen eingesetzt werden. Gleichzeitig soll eine Modellierung für LES-Simulationen abgeleitet werden.
Ein Schwerpunkt liegt in der Untersuchung der Strömungs-, Turbulenz- und Chemiewechselwirkung im Bereich der stromauf wandernden Flammenspitze, welche aufgrund experimenteller Resultate als entscheidend für die Ausbreitungsfähigkeit der Flamme im Rohr erscheint.
Die Arbeiten werden es erlauben, die Theorie zu diesem Ausbreitungsvorgang zu überprüfen, was experimentell aufgrund des hohen Aufwandes bisher nicht möglich war.


Motivation

Die Untersuchungen der Flammenausbreitung in turbulent mit vorvermischtem Gas durchströmten Wirbelrohren [FKS00, FKS01] haben gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen eine Flammenausbreitung im Wirbelrohr stromauf möglich ist, obwohl über den gesamten Querschnitt der Rohrströmung stromauf der Flamme (ausserhalb der Grenzschicht an den Wänden) die mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit weit über der turbulenten Flammengeschwindigkeit liegt.

Bei den am Institut für Thermodynamik der TU München untersuchten Konfigurationen erfolgt der Flammenrückschlag auch nicht innerhalb der Grenzschicht, sondern mittels einer Rezirkulationszone verbrannten Gases, die sich durch verbrennungsinduziertes Aufplatzen des Wirbels auf der Rohrachse stromauf bewegen kann. Dies konnte durch Visualisierungen der OH-Fluoreszenz der Flamme (Hochgeschwindigkeitskamera) und simultan getriggerten LDA- und LIF-Messungen gezeigt werden.

Aufgrund der Beschränkungen der Messtechnik kann nur ein LIF-Bild pro Flammenrückschlag aufgenommen werden. Diese Bilder [FRI03] legen die Vermutung nahe, dass das Stromaufwandern der Flamme mittels eines Strahls von Heißgas erfolgt, welcher in eine stromauf gebildete Zone des gerade vorher aufgeplatzten Wirbels eindringt.
Die Bilder zeigen auch Anzeichen einer durch die Nutation des Wirbelkerns verursachten Drehbewegung sowie eine unregelmässige Flammenfront, die turbulent verwirbelt und durch etwas größere Wirbelstrukturen eingerollt erscheint. Da bisher keine mit den LIF-Aufnahmen simultan aufgenommenen Geschwindigkeitsfelder vermessen wurden, sondern das Strömungsfeld im mit der Flamme mitbewegten Koordinatensystem nur statistisch durch die LDA-Messungen bekannt ist, ist es nicht sicher, ob die zur Erklärung der Flammenform angenommenen Wirbelstrukturen und der Mechanismus des Stromaufpropagierens der Flamme korrekt sind.
Falls die Flamme sich intermittierend stromab bewegt, zeigt die LIF-Aufnahme Verlöscheffekte an der Flammenspitze. Aus den Bildern ist nicht eindeutig ersichtlich, ob auch laminare Instabilitäten der Flammenfront (z.B. Landau- Darrieux-Instabilität) zu den beobachteten Formen der Flammenfront beitragen.

Die bisherigen Versuche [KIE03], das Phänomen des verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzens mit CFD-Simulationen nachzubilden, beschränken sich auf instationäre zweidimensional-rotationssymmetrische Rechnungen (URANS) mit einem einfachen Verbrennungsmodell vom Eddy-Breakup-Typ. In dieses Modell wurde auch eine Damköhlerzahl-Abhängigkeit integriert, um ein lokales Verlöschen der Flamme wenigstens qualitativ berücksichtigen zu können.
Die bisherigen Resultate dieser CFD-Rechnungen zeigen, dass sich das Phänomen des verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzens zwar qualitativ mit diesen zweidimensionalen URANS-Rechnungen wiedergeben lässt. Die Qualität der Vorhersage reicht jedoch nicht aus, um das Einsetzen von CIVB für neue Konfigurationen quantitativ vorhersagen zu können. Die Form der stromauf propagierenden Flamme ist etwas unterschiedlich von der in den Messungen bestimmten Gestalt. Die detaillierte Struktur der Flammenspitze und deren Nutationsbewegung kann bisher mit den 2-D-URANS-Simulation ebenfalls nicht aufgelöst werden.


Ziele

Das Ziel dieses Teilvorhabens ist ein verbessertes Verständnis der Wechselwirkung zwischen dem turbulentem Strömungsfeld und der Flammenausbreitung beim verbrennungsinduzierten Wirbelaufplatzen sowie eine detailliertere Beschreibung der Vorgänge durch Verwendung höherwertiger Strömungs- und Chemiemodellierungen. Dazu sollen vor allem die Vorgänge in der Nähe der Flammenspitze genauer untersucht und modelliert werden, welche die Stromaufbewegung der Flamme entscheidend beeinflussen.

Zunächst soll die Strömung mit zweidimensionalen und dreidimensionalen URANS-Methoden nachgebildet werden und die Basis für Rechnungen bei höherem Druck gelegt werden. Diese Untersuchungen sollen vor allem das Verbesserungspotential beim Einsatz von höherwertigen Verbrennungsmodellen gegenüber dem in Vorhaben 1 verwendeten Eddy-Breakup-Modell zeigen. Gleichzeitig sollen die Grundlagen für die Anwendung von LES-Simulationen in diesem Bereich und mit Verwendung derselben Verbrennungsmodelle erarbeitet werden.

Anschließend soll das Phänomen mit LES nachgebildet und die Resultate detailliert mit den RANS-Ergebnissen verglichen werden. Die in Vorhaben 5 erarbeiteten verbesserten Chemiemodelle sollen integriert werden, sobald sie zur Verfügung stehen.
Die Simulationen sollen bei perfekter Vorvermischung und zunächst für atmosphärischen Druck durchgeführt werden. Die Anwendung auf höhere Drücke erfolgt, wenn die notwendigen Basisverfahren vorhanden sind und Messdaten zur Verfügung stehen. Hierzu ist eine Formulierung notwendig, die in dem gesamten Druckbereich gültig und validiert ist.


Arbeitsprogramm

Auswahl des Verbrennungsmodells

Zur Beschreibung des CIVB-Phänomens muss ein Verbrennungsmodell verwendet werden, das in den aus den Messungen identifizierten Verbrennungsregimes gültig ist. Es muss auch die Fähigkeit besitzen, das intermittierend im Experiment beobachtete Flammenverlöschen zu beschreiben. Dieses ist wesentlich für die Fähigkeit der Flamme stromauf zu propagieren.

Ein Flammenlöschen durch Streckung kann relativ einfach berücksichtigt werden, soweit das Verbrennungsmodell eine Beziehung für die laminare Flammengeschwindigkeit enthält. Dies ist mit Turbulent-Flame-Speed-Closure-Modellen (TFSC), Flammenoberflächentransport- und Level-Set-Modellen relativ leicht möglich. Die Berücksichtigung von weiteren chemischen Relaxationsvorgängen hinter der Flammenfront benötigt mindestens eine zusätzliche Reaktionsfortschrittsvariable.
Bei Verwendung von Transport-PDF-Modellen werden die chemischen Quellterme geschlossen modelliert. Dafür sind hier die für die Vormischverbrennung wesentlichen Mischungsterme nicht geschlossen. Die Modellierung durch Hinzufügen eines Damköhler-Kriteriums im Eddy-Breakup-Modell berücksichtigt die Turbulenz-Chemie- Wechselwirkung nicht korrekt.

Im extended Bray-Moss-Libby (EBML) Modell [MSJ03a,b] können durch eine auf c konditionierte Formulierung weitere chemische Reaktionen ankoppelt werden. Der Quellterm der c- Gleichung enthält die laminare Flammengeschwindigkeit und kann daher auch ein Flammenlöschen durch Streckung beschreiben. Das extended BML-Modell wird als Basis für die Arbeiten in diesem Teilvorhaben gewählt.

URANS Simulationen atmosphärisch

Da das extended BML Modell bisher nur auf stationäre Vormischflammen angewendet wurde, soll es zunächst für URANS-Simulation und für die Anwendung auf das CIVB-Phänomen weiterentwickelt werden. Es stellt auch eine gute Basis für die Simulation späterer Experimente an teilweise oder technisch vorgemischten Flammen dar, weil es bereits für teilweise vorgemischte Flammen formuliert wurde. Zur Demonstration des Potentials sollen unterschiedlich komplexe Formulierungen der chemischen Reaktion innerhalb des BML-Modells und mit Ergebnissen des entsprechenden Eddy-Breakup-Modells (Vorhaben 1) verglichen werden.


URANS Simulationen höhere Drücke

In der Anwendung muss der Flammenrückschlag auch für höhere Drücke vorhergesagt werden. Deswegen sollen die verwendeten Verbrennungsmodelle auch für Drücke über 1 Bar validiert werden. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass die verwendeten Modellkonstanten eine deutliche Druckabhängigkeit aufweisen können. Da experimentelle Daten des Flammenrückschlags bei höherem Druck in der ersten Phase des Vorhabens nicht verfügbar sein werden, sollen sich diese Berechnungen zunächst auf bereits vorhandene Daten von in der Literatur veröffentlichten Konfigurationen stützen.
Insbesondere soll die turbulente Strahlflamme von Kobayashi [KOB96,KOB97,KOB98] für verschiedene Drücke nachgerechnet und die Druckabhängigkeit der Modellkonstanten bestimmt werden. Nach der Validierung soll die TUM-Konfiguration mit 2-D-URANS-Verfahren simuliert und die Veränderung des Flammenrückschlags bei höherem Druck vorhergesagt werden.


LES Simulationen

Parallel zu den RANS- / URANS-Arbeiten soll das extended BML-Modell für die Verwendung in einem LES-Code weiterentwickelt werden. Basis soll die in [KVRM00] vorgeschlagene LES-Formulierung des BML-Modells sein. Das Modell soll anschließend in den in Darmstadt weiterentwickelten LES-Code FLOWSI implementiert werden.
Dieser Vormisch-LES-Code wird zunächst anhand einiger ausgewählter statistisch stationärer und zweidimensionaler Konfigurationen bei atmosphärischem Druck validiert. Anschließend sollen mit dem so validierten LES-Code Simulationen des Flammenrückschlags in der von der TU München vermessenen Konfiguration durchgeführt werden. Zusätzlich wird eine LES-Simulation der stationären Vormischflamme des Darmstadt-Brenners durchgeführt und mit den RANS-Resultaten verglichen.

Da speziell die instationäre LES-Modellierung der detaillierten Vorgänge in der Nähe der Flammenspitze beim Flammenrückschlag im Zentrum der Untersuchungen steht, soll untersucht werden, ob durch eine zonale Kopplung von URANS im Aussenbereich der Strömung und LES im Zentrum auf der Rohrachse eine Reduktion der Rechenzeit erreicht werden kann.

Am Ende des Vorhabens sollen die Resultate der URANS- und der LES-Rechnungen im Detail mit dem Experiment und untereinander verglichen und die verschiedenen Modelle bezüglich ihrer Vorhersagefähigkeit des CIVB bewertet werden. In den Vergleich sollen auch die Resultate der anderen Partner im Verbundprojekt, die dieselben Konfigurationen nachgerechnet haben, mit einbezogen werden.


Literaturverzeichnis

[FRI03] J. Fritz: Flammenrückschlag durch verbrennungsinduziertes Wirbelaufplatzen, Lehrstuhl für Thermodynamik, Dissertation Technische Universität München, 2003.

[FKS00] J. Fritz, M. Kröner, T. Sattelmayer: Simultaner Einsatz optischer Messmethoden zur Untersuchung der Flammenausbreitung in verdrallten Rohrströmungen, Tagungsbericht GALA, 2001.

[FKS01] J. Fritz, M. Kröner, T. Sattelmayer: Flashback in a swirl burner with cylindrical premixing zone, ASME Paper 2001GT-0054, 46th ASME Int'l Gas Turbine & Aeroengine Technical Congress, New Orleans, Lousiana, USA, 2001 (to appear in: ASME-Transactions, Journal of Gas Turbines and Power).

[KIE03] F. Kiesewetter, C. Hirsch, J. Fritz, M. Kröner, T. Sattelmayer: Two-dimensional flashback simulation in strongly swirling flows, ASME Paper GT2003-38395, 48th ASME International Gas Turbine & Aeroengine Conference, Atlanta, USA, 2003.

[KVRM00] R. Knikker, D. Veynante, J.C. Rolon, C. Meneveau: Planar Laser Induced Fluorescence in a Turbulent Premixed Flame to analyze Large Eddy Simulation Models. Proceedings of the 10th international Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, Lisbon, Portugal, 2000.

[KOB96] H. Kobayasi, T. Tamura, K. Maruta, T. Niioka, F.A. Williams: Burning Velocity of Turbulent Premixed Flames in a High Pressure Environment. Twenty Sixth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 389 396, 1996.

[KOB97] H. Kobayashi, T. Nakashima, T. Tamura, K. Maruta, T. Niioka: Turbulence measurements and observations of turbulent premixed flames at elevated pressures up to 3.0MPa. Combustion and Flame, 108:104 117, 1997.

[KOB98] H. Kobayashi, Y. Kawabata, K. Maruta: Experimental Study on General Correlation of Turbulent Burning Velocity at High Pressure. Twenty Seventh Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 941 948, Boulder, USA, 1998.

[MSJ03a] A. Maltsev, A. Sadiki, J. Janicka: Coupling of Extended BML model and Advanced Turbulence and Mixing Models in Predicting Partially Premixed Flames. Third International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, 501 506, Sendai, Japan, 2003.

[MSJ03b] A. Maltsev, A. Sadiki, J. Janicka: Numerical Prediction of Partially Premixed Flames Based on Extended BML Model Coupled with Mixing Transport and ILDM Chemical Model, ASME Paper GT-2003-38265, ASME Turbo Expo 2003, Atlanta, Georgia, 2003.

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