Magere Vormischverbrennung wird in technischen Anwendungen wie stationären Gasturbinen und Verbrennungsmotoren eingesetzt, um eine Reduktion von Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und NO_x Emissionen zu erreichen. Numerische Simulationen der Verbrennungsprozesse unterstützen dabei in einem immer weiter zunehmenden Maße den Entwicklungsprozess und erfordern die Bereitstellung geeigneter Verbrennungsmodelle. Maßgebende Einflussgrößen auf die Verbrennung sind u.A. das Turbulenz- und das Druckniveau. Während Verbrennungsmodelle für die häufig verwendeten Reynolds gemittelten Navier-Stokes (RANS) Simulationen gut evaluiert sind, werden im Kontext der Large Eddy Simulation (LES) Verbrennungsmodelle bisher kaum bei unterschiedlichem Druck in Kombination mit variierendem Turbulenzniveau untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird ein algebraisches LES Verbrennungsmodell entwickelt, mit Fokus auf eine korrekte Vorhersage des Druckeinflusses bei unterschiedlichen Turbulenzniveaus. Da Hochdruckflammen durch hydrodynamische Instabilitäten beeinflusst werden können, wird ein Modell entwickelt, das den Einfluss von Landau-Darrieus und thermodiffusiven Instabilitäten auf die laminare Flammengeschwindigkeit beschreibt. Ein Kriterium wird definiert, das die Transition von stabilen zu instabilen Flammen charakterisiert und in der LES verwendet werden kann. Da Wärmeverluste in Wandnähe die Verbrennung in technisch relevanten Konfigurationen beeinflussen, werden in der Literatur Modelle identifiziert, die als einfache Erweiterungen für algebraische LES-Verbrennungsmodelle den Einfluss von Wärmeverlusten auf die Reaktionsrate berücksichtigen. Das Modell für hydrodynamische Instabilitäten wird anhand der LES von expandierenden Kugelflammen bei unterschiedlichen Drücken und dem Vergleich mit experimentellen Daten validiert. Das neue turbulente Verbrennungsmodell sowie zwei weitere Verbrennungsmodelle werden anhand einer turbulenten Bunsenflamme, die Betriebspunkte ottomotorischer Verbrennung abbildet, evaluiert. Dabei kann nur das in dieser Arbeit entwickelte Verbrennungsmodell bei erhöhtem Druck die experimentellen Daten reproduzieren. Dies zeigt, dass algebraische Verbrennungsmodelle bei erhöhtem Druck bereits bei gering bis moderat turbulenter Strömung eine deutliche Faltung der Flamme im Feinstrukturbereich vorhersagen müssen, um die ottomotorische Verbrennung korrekt simulieren zu können. LES einer turbulenten Strahl Flamme bei Betriebspunkten, die der Verbrennung in einer stationären Gasturbine entsprechen, ergeben für das neue Verbrennungsmodell sowie die zwei weiteren evaluierten Verbrennungsmodelle eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment und eine gute Druckskalierung. Bei hoch turbulenten Flammen ist damit genügend Feinstrukturturbulenz vorhanden, um auch bei hohem Druck einen ausreichenden Einfluss der beiden zusätzlich evaluierten Verbrennungsmodelle vorherzusagen. Die Erweiterungen zur Berücksichtigung der Flamme-Wand Interaktion werden anhand von LES eines nichtadiabaten Drallbrenners evaluiert. Charakteristische Wandabstände aus der Literatur für erste Wärmeverluste und thermisches Verlöschen können reproduziert werden. Zudem führt die Berücksichtigung der Flamme-Wand Interaktion zu einer verbesserten Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit dem Experiment, verglichen mit einer LES bei Vernachlässigung von Wärmeverlusten.    «

Magere Vormischverbrennung wird in technischen Anwendungen wie stationären Gasturbinen und Verbrennungsmotoren eingesetzt, um eine Reduktion von Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- und NO_x Emissionen zu erreichen. Numerische Simulationen der Verbrennungsprozesse unterstützen dabei in einem immer weiter zunehmenden Maße den Entwicklungsprozess und erfordern die Bereitstellung geeigneter Verbrennungsmodelle. Maßgebende Einflussgrößen auf die Verbrennung sind u.A. das Turbulenz- und das Druck...    »