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DPG (1) ThV SIEGEN Turbulente Verbrennung Friedrich Dinkelacker Lehrstuhl für Thermodynamik und Verbrennung Institut für Fluid- und Thermodynamik Fachbereich Maschinenbau Universität Siegen DPG - Arbeitskreis Energie - Bad Honnef - 20. April 2007 Lehrstuhl für Thermodynamik und Verbrennung DPG (2) ThV SIEGEN Über 90% der weltweiten technischen (*) Energienutzung geschieht über Verbrennungsvorgänge: Pratt&Whitney PW 4000 Turbulente Verbrennung Stromerzeugung Kohlekraftwerke Gas-Kraftwerke Wärmenutzung Heizung Feuerungen Verkehr (*) Direkte nichttechnische Solarenergienutzung (Licht, Wärme, Photosynthese) ist allerdings vielfach höher (H. Scheer)

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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)

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DPG (3)

ThVSIEGEN

Turbulente Verbrennung

Turbulente Strömung

Chemische Reaktion

+

DPG (4)

ThVSIEGEN

Turbulente Verbrennung

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DPG (5)

ThVSIEGEN

Turbulente Verbrennung

"Reaktionsmechanismus"(325 Elementarreaktionen, 53 Spezies)

+

DPG (6)

ThVSIEGEN

Turbulente StrömungMolekularer Transport

Chemische Reaktion

++

Turbulente Verbrennung

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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

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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

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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

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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:

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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

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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≈

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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

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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

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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)

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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"

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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)

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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

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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)

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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

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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"

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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