Turbulente, chemisch reagierende Strömungen: Wandnahe Simulationen

In dieser Arbeit wurde erstmalig ein experimenteller Brenner unter laminaren und turbulenten Bedingungen mit einer hochaufgelösten 3-D-LES (engl. large eddy simulation) numerisch untersucht. Dabei wurde das senkrechte Verlöschen einer vorgemischten Methan-flamme mittels einer Chemietabellierung (engl. flamelet generated manifold (FGM)) beschrieben. Um die numerische Effizienz des verwendeten Finite-Volumen-Codes FASETEST zu verbessern, wurde eingangs die Parallelisierungsstrategie geändert. Zur Erzeugung geeigneter, turbulenter Einlassdaten wurde ein Teil des Brenners samt turbulenzerzeugender Lochplatte simuliert. Die dort entstehenden Strukturen weichen deutlich von solchen in Kanälen oder Rohren ab.
Mittels der laminaren, reaktiven Simulationen wurden die Grenzen der Verfahren aufgezeigt. Charakteristische Größen der Flamme-Wand-Interaktion (FWI), wie Temperaturprofile, dimensionslose Verlöschabstände und Wärmestromdichten, stimmen in 3-D und sogar in 2-D mit den Experimenten bzw. Literaturdaten überein.
Der turbulente Fall wurde ebenfalls am Experiment validiert. Die Mittelwerte der transienten Daten wurden ausführlich mit dem laminaren Fall verglichen und Unterschiede aufgrund der Turbulenz erklärt, z. B. der räumliche Versatz von Verlöschpunkt und maximaler Wärmstromdichte. Außerdem zeigte sich, dass die Flamme in verschiedenen Regimen der FWI brennt. Aus der transienten Analyse der Flammenbewegung ging hervor, dass wichtige Eigenschaften, wie z. B. Wärmestromdichten oder Verlöschabstände, von der Bewegungsrichtung abhängig sind. Eine stromabwärtige Bewegung tritt häufiger auf, aber die stromaufwärtige gleicht deutlich mehr dem laminaren Fall. Durch Löcher in der Flammenoberfläche in Wandnähe entsteht ein sprunghaftes Stromaufwandern der Flammenspitze.