Anschlussprojekte
Prof. Dr. Thomas Sattelmayer
Technische Universität München
Lehrstuhl für Thermodynamik
Prof. Vince McDonell
University of California, Irvine
Combustion Laboratory
Umweltfreundliche Energieerzeugung durch sichere und zuverlässige Verbrennung von wasserstoffreichen Brennstoffen
Durch die magere Vormischverbrennung von Wasserstoff in Gasturbinen kann ein entscheidender Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung in der Zukunft geleistet werden, da hierbei kein Ausstoß von klimaschädlichem Kohlendioxid und nur geringfügig von Stickoxid erfolgt. Diese Methode hat jedoch zur Folge, dass es zum unkontrollierten Rückschlagen der Flammen aus dem Brennraum in die Vormischzone kommen kann. Dieses sicherheitskritische Phänomen wurde in der Vergangenheit sowohl an der Technischen Universität München (TUM) als auch an der University of California in Irvine (UCI) eingehend experimentell untersucht. Des Weiteren wurden an der TUM numerische Untersuchungen von Wandrückschlag generischer Brennerkonfigurationen bei geringen Drücken mit Open Source Software durchgeführt. Darauf aufbauend soll in diesem gemeinsamen Projekt der Wandrückschlag eines realitätsnahen Brenners bei höheren Drücken numerisch untersucht werden. Hierbei soll auch die Anwendbarkeit von in der Industrie verbreiteter kommerzieller Software ermittelt werden.
Ausgangsprojekt: Umweltfreundliche Energieerzeugung durch sichere und zuverlässige Verbrennung von wasserstoffreichen Brennstoffen
Abschlussbericht
Im Rahmen der Kooperation mit der University of California in Irvine (UCI) wurde die Möglichkeit untersucht, nicht eingeschlossenen Wandrückschlag mit Hilfe von Large Eddy Simulationen zu modellieren. Hierzu wurde mit den Strömungssimulationsprogrammen ANSYS Fluent und OpenFOAM sowohl kommerzielle Software als auch Open Source Software verwendet. Zur Validierung der Ergebnisse wurde ein Experiment mit einem generischen Rohrbrenner herangezogen. In beiden Programmen wurde der generische Rohrbrenner identisch vernetzt. Ebenso wurden vergleichbare Verbrennungs-, Turbulenz- und Diffusionsmodelle sowie vergleichbare Diskretisierungsschemeta und Randbedingungen verwendet. Es zeigte sich, dass die experimentellen Rückschlaggrenzen trotz der aufwändigen Modellierung nicht von ANSYS Fluent abgebildet werden konnten. Selbst bei deutlich überhöhten Äquivalenzverhältnissen trat kein Wandrückschlag auf. Mit OpenFOAM hingegen wurden die experimentellen Rückschlaggrenzen exakt abgebildet. Das numerische Modell ist somit grundsätzlich für die Modellierung von nicht eingeschlossenem Wandrückschlag geeignet. Im Rahmen des Projekts konnte jedoch nicht festgestellt werden, wodurch der Unterschied in den Ergebnissen mit den jeweiligen Programmen hervorgerufen wird. Dies sollte in zukünftiger Arbeit untersucht werden. Da die kommerzielle Software ANSYS Fluent einen deutlich geringeren Ressourcenbedarf als OpenFOAM aufweist, könnte ANSYS Fluent im Anschluss verwendet werden um aufwändigere Simulationen von realitätsnahen Brennern bei höheren Drücken durchzuführen.