Modellierungskonzepte für die Chemie-Turbulenz-Interaktion bei Zünd- und Löschprozessen

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Drallströmungen spielen eine große Rolle bei der Stabilisierung technischer Verbrennungssysteme. Trotz ihrer großen Bedeutung sind sie bis heute noch nicht hinreichend verstanden und ihre mathematische Modellierung im Hinblick auf die Auslegung technischer Verbrennungssysteme gestaltet sich außerordentlich schwierig. Einer der hauptsächlichen Gründe hierfür ist die intensive Kopplung von turbulenten Transportprozessen und chemischer Kinetik, die durch bestehende, einfache Modelle nur unzureichend wiedergegeben wird. Dies gilt insbesondere auch für instationäre Prozesse, wie den Flammenrückschlag im Falle vorgemischter Brennstoff-Luft Systeme oder das verbrennungsinduzierte Wirbelaufplatzen. In dem beantragten Vorhaben sollen mathematische Modelle erarbeitet werden, die es ermöglichen, die Kopplung zwischen chemischer Reaktion und turbulenten Mischungsprozessen zuverlässig zu beschreiben. Ausgangsbasis hierfür sind sowohl detaillierte kinetische Mechanismen als auch detaillierte Modelle für die Kopplung von Reaktions- und Transportprozessen. Diese Modelle sollen dann im Rahmen hierarchischer Modellierungskonzepte mit einem minimalen Verlust an Genauigkeit so vereinfacht werden, dass sie in Programmen zur Modellierung turbulenter Drallflammen (URANS, LES) mit einem vertretbaren Rechenzeitaufwand implementiert werden können. Die zur Erreichung dieser Ziele verwendete Methodik basiert auf einer Kombination verschiedener Verfahren. Zentraler Baustein ist hier die Beschreibung der Chemie-Turbulenz-Wechselwirkung durch Lösung der Transportgleichung für die gebundene Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion von Geschwindigkeit und Skalaren. Diese Methode behandelt die chemische Reaktion exakt und benötigt hierfür keine kommt ohne Schließungsannahmen. Der beachtliche rechnerische Aufwand wird durch die Verwendung automatisch reduzierter Reaktionsmechanismen (ILDM-Methode) minimiert. Die ungeschlossenen molekularen Transportterme sollen unter Verwendung von Informationen aus detaillierten numerischen Simulationen geschlossen werden. Wegen des hohen rechnerischen Aufwandes sollen in dem Projekt nur einfache geometrische Konfigurationen modelliert werden. Aus den Arbeiten lassen sich jedoch verbesserte Ansätze fürpresumed PDFs ableiten, die dann in anderen Modellierungskonzepten (URANS, LES) verwendet werden können.