Numerische Methoden für schwach kompressible reagierende Strömungen mit mehreren Skalen

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Akustische Verbrennungsinstabilitäten können unakzeptable Geräuschniveaus technologischer Verbrennungssysteme hervorrufen. Sie können zur Entstehung von Turbulenzen und damit zu drastischen Flammenbeschleunigungen bis hin zum Übergang in eine Detonation führen. Solche unerwünschten Flammenbeschleunigungen findet man z.B. bei klopfendem Betrieb von Otto-Motoren und bei Explosionsvorgängen nach Austritt brennbarer Gase in Industrieunfällen. Von Interesse sind sowohl die rein gasförmige Verbrennung als auch Aerosol-Luft-Mischungen. Die experimentell zu beobachtenden einschlägigen Unterschiede im Verhalten homogener und nicht-homogener Systeme sind bisher nur unvollständig verstanden. Die numerische Simulation dieser Vorgänge ist aufgrund der Mehrskaleneigenschaften der zugrundeliegenden Strömungen äußerst anspruchsvoll: Typische chemische Längenskalen sind von der Größenordnung von 1/10 Millimetern, typische Wirbelstrukturen aufgrund von Flammeninstabilitäten erreichen Durchmesser im Zentimeterbereich, während langwellige akustische Wellen im relevanten Mach-Zahl-Bereich in der Größenordnung von mehreren Metern liegen können. Im Rahmen der ersten und zweiten Antragsperiode werden und wurden eine Anzahl von Schlüsseltechniken entwickelt, die notwendige Bausteine für die erfolgreiche Bearbeitung des Gesamtprojektes sind. Diese Techniken umfassen:· Erweiterung eines Flammenverfolgungsverfahrens für kompressible Strömungen auf den Grenzfall kleiner Mach-Zahl · Physikalisch motivierte Mehrskalenmethoden zur Darstellung langwelliger akustischer Phänomene,· deren Kopplung an einen Löser für quasi-inkompressible reaktive Strömungen,· Darstellung gekrümmter Ränder auf einem kartesischen Rechengitter.Diese Algorithmischen Elemente werden im selben Programmrahmen aufgebaut. Deshalb ist die Möglichkeit der späteren Kopplung der einzelnen Verfahren in einem umfassenden Programm gegeben. Die Arbeiten auf deutscher Seite innerhalb dieses Projektes werden sich auf zwei Teilbereiche konzentrieren: Zum einen soll zielstrebig an einer umfassenden Programmversion gearbeitet werden, die alle notwendigen Eigenschaften zur Simulation der Experimente des französischen Partners besitzt. Zum anderen sollen grundlegende Fragestellungen zur Wechselwirkung langwelliger akustischer Störungen mit kurzwelligen konvektiven Phänomenen geklärt werden. Diese Erkenntnisse werden sowohl vom Standpunkt der Grundlagenforschung her neu sein, als auch potentiell äußerst wertvolle Hinweise zur Gestaltung effizienter numerischer Verfahren liefern.