Large Eddy simulation in combination with digital signal processing in order to analyse the thermo-acoustic stability of combustion systems

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Thermo-akustische Instabilitäten der Verbrennung stellen ein schwerwiegendes Problem für unterschiedlichste Anwendungen dar - von Raketen über Gasturbinen bis hin zu automobilen Standheizungen. Im beantragten Vorhaben soll ein Verfahren zur Prüfung der Stabilität von Verbrennungssystemen hinsichtlich selbsterregter Brennkammerschwingungen entwickelt und anhand analytischer und experimenteller Ergebnisse validiert werden. Der vorgeschlagene Ansatz kombiniert Methoden der Grobstruktursimulation turbulent-reagierender Strömungen, der Signalverarbeitung, der linearen Akustik und der Regelungstechnik: akustische Wellen im simulierten turbulenten Strömungsfeld werden identifiziert, um in Kombination mit Netzwerk-Modellen der linearen Akustik den Frequenzgang des "aufgeschnittenen" Gesamtsystems zu berechnen. Aus der Ortskurve des Frequenzganges werden dann Eigenmoden und deren Stabilität bestimmt. Dieser hybride Ansatz ist insofern umfassend, als er nicht nur die dominant instabile, sondern sämtliche Eigenmoden im untersuchten Frequenzbereich erfasst, und im Prinzip sämtliche bekannten Wechselwirkungen zwischen Akustik, Fluidmechanik und Wärmefreisetzung berücksichtigt. Die Methode ist auch für Verbrennungssysteme geeignet, die aufgrund der geometrischen Verhältnisse - z.B. nichtkompakte Flamme - mit klassischen Netzwerk-Modellen nicht untersucht werden können. Besonders vorteilhaft ist, dass Flammenfrequenzgang bzw. Brennertransfermatrix nicht explizit bestimmt werden müssen. Im Vergleich zur direkten Stabilitätsprüfung mittels transienter CFD können mit dem hybriden Ansatz die akustischen Randbedingungen problemlos berücksichtigt und signifikante Rechenzeitersparnisse realisiert werden.