Modellierung von Mischung und Fluktuationen im Brennstoff-Luft-Verhältnis in mager vorgemischten Flammen

Die Mischungsqualität von Brennstoff und Luft in Gasturbinenbrennern hat Einfluss auf wichtige Verbrennungsgrößen, wie Wärmefreisetzung, Flammenfronteigenschaften, Brenngeschwindigkeit, Emissionen und Zeitverzüge. Sie kann daher auch Verbrennungsinstabilitäten begünstigen, die sich bei einer Kopplung von Wärmefreisetzungs- und Druckschwankungen, insbesondere unter mageren Bedingungen, ausbilden. Somit ist es essentiell, turbulente Mischungsvorgänge modellieren zu können und ihren Einfluss auf Strömungs- und Vebrennungsvorgänge zu verstehen. Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung von Mischungsvorgängen in einem Drallbrenner unter Verwendung von numerischen Strömungsberechnungen. Weitergehend wird die Auswirkung von Schwankungen im Brennstoff-Luft-Verhältnis auf Flammeneigenschaften und Emissionen mit einem eindimensionalen turbulenten Modell berechnet. Experimentelle Untersuchungen an einem Staukörper-Brenner untermauern die Resultate dieser Berechnungen und gewähren einen tieferen Einblick in das Thema. Abschließend wird ein neuartiger Kopplungsansatz für ein Subgrid-Verbrennungsmodell vorgestellt, das auf die Brennerkonfiguration aus den experimentellen Untersuchungen angewendet wird. Die Untersuchungen am Drallbrenner zeigen, dass die Position der Brennstoffeindüsung einen großen Einfluss auf die Mischungsqualität als auch die Flammenform und -position hat. Axialsymmetrische Anregung der mittleren Strömung führt zu einer Überlagerung mit der helikalen Struktur der Strömung und beeinflusst so Mischungs- und Strömungsdynamik. Reynoldsgemittelte Simulationen waren in der Lage, wichtige Merkmale qualitativ, für die Mischung sogar quantitativ, wiederzugeben. Bezogen auf das Strömungsfeld haben sich Large Eddy Simulationen als deutlich genauer herausgestellt. Die eindimensionalen Untersuchungen einer turbulenten, mageren Flamme zeigen steigende CO und NO Emissionen sowie Wärmefreisetzungsschwankungen mit steigender Anregungsamplitude. Nichtlineare Effekte bei hohen Amplituden werden mit Wechselwirkungen und einer Phasenabhängigkeit von Oszillationen im Brennstoff-Luft-Verhältnis und der Brenngeschwindigkeit assoziiert. Außerdem liegt ein Dämpfungseffekt der periodischen Anregung auf turbulente Schwankungen vor, der zu einer verminderten Brenngeschwindigkeit führt. Die experimentellen Ergebnisse können viele Erkenntnisse der eindimensionalen Berechnungen bestätigen. Nichtlineares Verhalten der Wärmefreisetzungsschwankungen werden durch die Kopplung mit Brenngeschwindigkeit, Reaktionswärme und Strömungsfeld erklärt. Anregung bei niedrigen Frequenzen bzw. hohen Amplituden verursachen eine Dämpfung der turbulenten Fluktuationen und daraus resultierend einen Anstieg der turbulenten Flammendicke sowie eine Verringerung der Flammenoberächendichte, welche auf eine Verringerung der Brennrate hinweist. Mit dem Ziel, einige Probleme und Defifizite herkömmlicher Verbrennungsmodelle zu überwinden, wird ein neuartiger Kopplungsansatz vorgestellt, der das eindimensionale Modell als Subgridmodell in Large Eddy Simulationen einbindet. Diese Kopplung verknüpft die thermochemischen Größen des Untergitters mit dem Geschwindigkeits- und Druckfeld des übergeordneten Gitters über eine Geschwindigkeitsdivergenzbedingung. Die Anwendung auf eine Staukörper-stabilisierte Flamme zeigt vielversprechende Ergebnisse, die Flammenfrontcharakteristika in guter Übereinstimmung mit Messergebnissen wiedergeben.The mixing quality of fuel and air in gas turbine burners has effects on important combustion properties such as heat release rate, flame front characteristics, burning velocity, emissions, and time delays. It such might promote combustion instabilities, especially under lean conditions, which are prone to evolve in the presence of heat release rate oscillations coupling with the acoustic modes of the combustion chamber. It is thus essential to understand mixing processes and their influence on the combustion process. The present thesis studies mixing of fuel and air in a swirl burner by means of computational fluid dynamics. The impact of fuel-air ratio oscillations on flame characteristics and emissions is further evaluated with one-dimensional turbulence simulations. Validation of the one-dimensional studies and further insight into the topic is gained by experimental investigations of a bluff-body burner subjected to equivalence ratio fluctuations. Eventually, a novel coupling approach for a combustion subgrid model is introduced and applied in simulations of the experimental burner configuration. The swirl burner mixing studies indicate that the fuel injection position has a major impact on the mixing quality and the flame shape and position. Axisymmetric forcing of the mean flow, inducing fuel-air ratio fluctuations, causes a superposition with the helical structure of the swirling flow and thus affects the flow and mixing dynamics. Reynolds-averaged simulations show the ability of qualitatively, and for mixing also quantitatively, reproducing important features. Regarding the flow field, large eddy simulations prove to be considerably more accurate. The one-dimensional turbulent lean flame investigations reveal increasing emissions of CO and NO, as well as heat release rate fluctuations with increasing forcing amplitude of the equivalence ratio fluctuations. Nonlinear effects at high amplitudes are driven by the interaction and the phase-dependence of fuel-air ratio oscillations and burning velocity. Furthermore, a dampening effect of periodical forcing on turbulent fluctuations could be observed, leading to decreased burning velocities. The experimental results confirm many of the findings from the numerical studies. Nonlinear behavior of heat release rate fluctuations were attributed to the coupling of the equivalence ratio oscillations with burning velocity, heat of reaction and flow field. Low-frequency high-amplitude forcing further causes a damping of turbulent fluctuations, in turn an increase in turbulent flame brush thickness and a decrease in flame surface density, indicating a decrease in burning rate. To overcome shortcomings that are well known in three-dimensional combustion modeling, such as the lack of resolving turbulence-flame interaction, a novel coupling approach for the one-dimensional turbulence model as a subgrid model for large eddy simulations is presented. It relates the subgrid thermo-chemical properties to the supergrid velocity and pressure fields via a velocity divergence constraint. The model is applied to a bluff-body flame and shows promising results, reproducing flame front characteristics in good agreement with experimental results