Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7287

Quantitative Modellierung und Simulation von Vormischflammen in

inhomogenen Gemischen als gasdynamische Diskontinuität

Yvan Bronner

Zusammenfassung
Im Sonderforschungsbereich 606 ''Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktionen, Technische Systeme'' der Universität Karlsruhe, in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Karlsruhe sowie dem DLR Stuttgart sollen fortschrittliche Verbrennungskonzepte, bei denen zeitabhängige Prozesse von Bedeutung sind, besser verstanden und weiterentwickelt werden. In diesen Konzepten wird zunehmend die Vormischverbrennung eingesetzt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der detaillierten Dynamik von Vormischflammen.

Die detaillierte Simulation chemischer und strömungsmechanischer Systeme ist zurzeit noch auf einfache Geometrien beschränkt, da zur Lösung der Erhaltungsgleichungen ein hoher numerischer Aufwand nötig ist. Hydrodynamische Modelle, in denen die physikalisch-chemischen Prozesse durch Modelle behandelt werden, erlauben die Simulation räumlich mehrdimensionaler Systeme, da die notwendige Auflösung sich auf hydrodynamische Längenskalen beschränkt.

Kürzlich wurde von A. G. Class ein hydrodynamisches Modell für Vormischflammen mittels strenger asymptotischer Methoden basierend auf den Grundgleichungen der Strömungsmechanik hergeleitet, das so genannte vereinheitlichte Modell. Die im Vergleich zu den hydrodynamischen Längenabmessungen dünnen Flammen werden als gasdynamische Diskontinuitäten aufgefasst. Dies ermöglicht die mehrdimensionale Modellierung der Flammendynamik und der Wechselwirkungen zwischen der Flamme und der Strömung bei einem vergleichsweise geringen Rechenaufwand.

In der vorliegenden Arbeit wird die vereinheitlichte Theorie für inhomogene Gemische erweitert. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Technische Thermodynamik (ITT) der Universität Karlsruhe wird eine Methodik zur Bestimmung von quantitativen Parametern des Flammenmodells aus Rechnungen mit detaillierter Chemie hergeleitet, und für einen konkreten Fall angewendet. Die erhaltene quantitative Flammen-Modellierung wird numerisch umgesetzt unter Verwendung von TVD-Runge-Kutta-, WENO- und Level-Set-Methoden. Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Stuttgart wird experimentell eine Methan-Unterdruckvormischflamme untersucht. Zweidimensionale stationäre und instationäre Simulationen dieser Flamme werden durchgeführt und deren Ergebnisse mit den experimentellen Daten verglichen.

Quantitative modelling and simulation of premixed flames in inhomogeneous mixtures as gasdynamic discontinuities

Abstract
The Sonderforschungsbereich 606: “Nonstationary combustion: transport phenomena, chemical reactions, technical systems” at the Universität Karlsruhe in cooperation with the Forschungszentrum Karlsruhe and the DLR Stuttgart aims to improve fundamental understanding and development of advanced combustion concepts, where time dependant processes are relevant. In these concepts premixed combustion is applied to a greater extent. In the present work the detailed dynamic of premixed flames is considered.

The detailed simulation of chemical and fluid mechanical systems is still limited to quite simple geometries, due to the high computational effort required for solving the conservation equations. Hydrodynamic flame models treat the physical-chemical processes through models and reduce thereby the required spatial and temporal resolution to hydrodynamic scales. Thus they allow the simulation of substantially more complex systems.

A. G. Class recently developed a hydrodynamic model for premixed flames applying strict asymptotic methods based on the fundamental equations of fluid mechanics, the socalled unified model. Flames which are thin compared to the hydrodynamic scales are viewed as gasdynamic discontinuities separating the burned and unburned gases. This allows for a multidimensional modelling of flame dynamic and of the interactions between flame and flow and results in a model which can be solved at a comparatively low computational cost.

In the present study the unified theory is extended for inhomogeneous mixtures. In cooperation with the Institut für Technische Thermodynamik (ITT) at Universität Karlsruhe a method for obtaining quantitative parameters of the flame model from 1D detailed flame structure simulations is developed and applied to a specific case. The quantitative flame model is implemented in a numerical code using TVD-Runge-Kutta- and WENO schemes as well as a level set method. In the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) a low pressure methane flame is experimentally studied. Two-dimensional stationary and instationary simulations of this flame are performed and compared with the experimental data.

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