Laserspektroskopische Untersuchung und mathematische Modellierung turbulenter, vorgemischter Erdgasflammen

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Ziel des Projektes ist die experimentelle Untersuchung und mathematische Modellierung turbulenter Vormischflammen. Hierbei sollen die experimentellen Arbeiten sowohl zur Validierung der verwendeten mathematischen Modelle wie auch zu deren gezielter Entwicklung und Verbesserung dienen. Eine geometrische Darstellung der Daten turbulenter Flammen im thermokinetischen Zustandsraum zeigt ein interessantes Phänomen (MaC). Alle Zustände einer turbulenten Flamme befinden sich in der Nähe niedrigdimensionaler Unterräume des gesamten Zustandsraumes. Grund hierfür sind Korrelationen zwischen Spezieskonzentrationen, die durch die Dynamik des Reaktionssystems auferlegt werden (Spezies in quasistationären Zuständen, Reaktionen in partiellen Gleichgewichten). Eine mathematische Analyse dieser Korrelationen erlaubt eine drastische Vereinfachung der Beschreibung der turbulenten Flamme und die Ermittlung von Zusatzinformationen zur Schließung der molekularen Transportterme. Auf Basis der detaillierten experimentellen Daten soll die These der niedrigdimensionalen Unterräume gefestigt und in die Modellentwicklung integriert werden. Die turbulente Flamme wird durch orts- und zeitauflösende LDA (Laser-Doppler-Anemometrie, Hitzdraht-Anemometrie), LIF (laserinduzierte Fluoreszenz) und Raman-Messungen charakterisiert. Durch die verschiedenen angewendeten Methoden lassen sich umfassende Informationen über Spezieskorrelationen (Raman), Gradientenkorrelationen (LIF) und über das zugrundeliegende turbulente Geschwindigkeitsfeld gewinnen. Mit Hilfe der Informationen über Majoritätenspezieskonzentrationen und Temperaturen werden die punktförmigen LIF-Gradientenmessungen quantifiziert. Die Punktmessungen werden darüber hinaus herangezogen, um zweidimensionale Konzentrations- und Temperaturfelder zu eichen. Eine systematische Analyse der gewonnenen Daten erlaubt dann eine gezielte Verbesserung der Modelle für die Turbulenz-Chemie-Wechselwirkung in turbulenten Vormischflammen. Die Modellierung der Flamme erfolgt durch Lösung der Transportgleichung für die gebundenen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen aus Geschwindigkeiten und Skalaren. Bei diesem Verfahren wird die chemische Kinetik exakt beschrieben, während die molekularen Transportprozesse nicht geschlossen sind und modelliert werden müssen. Kennt man jedoch aus experimentellen Untersuchungen oder direkten numerischen Simulationen Korrelationen zwischen Spezieskonzentrationen und deren Gradienten, so lassen sich auch die molekularen Transportterme (zumindest partiell) schließen. Insbesondere bei der mathematischen Modellierung vorgemischter Flammen verspricht dieser Ansatz eine starke Verbesserung der Zuverlässigkeit mathematischer Modellierung.