Neuartige Verbrennungstechnologien, die niedrige Emissionen, hohe Effizienz und Kraftstoffflexibilität gewährleisten, sind unerlässlich, um den zukünftigen Herausforderungen im Zusammenhang mit Luftverschmutzung, Klimawandel und Energieträgermangel sowie den immer strengeren Umweltschutzauflagen gerecht zu werden. Unter ihnen hat die „Moderate or Intense Low oxygen Dilution“ (MILD)-Verbrennung in letzter Zeit zunehmend Aufmerksamkeit bekommen. Die MILD-Verbrennung wird durch die Abgasrezirkulation innerhalb des Reaktionsbereichs erreicht, mit dem Effekt der Verdünnung der Reaktantenströme. Hierdurch wird die Reaktivität des Systems reduziert und die Reaktionszone wird homogenisiert, was schlussendlich zu einer Verringerung der NOx- und Rußemissionen führt. Als Folge der Verdünnung und der verbesserten Mischung wird das Verhältnis zwischen der Zeitskalen von Mischung und Chemie bei der MILD-Verbrennung signifikant reduziert, was auf die Existenz sehr starker Wechselwirkungen zwischen der Chemie und Strömungsdynamik hinweist. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz von Verbrennungsmodellen, die sowohl turbulente Mischung als auch detaillierte chemische Kinetiken genau berücksichtigen können, zwingend erforderlich.

Verbrennungsmodelle für konventionelle Flammen basieren in der Regel auf der Annahme einer zeitlichen Skalenseparation (z.B. Flamelets und verwandte Modelle), die den in der numerischen Simulation zugänglichen thermochemischen Zustand einschränken. Als eine Option werden häufig PDF-Methoden genannt, die nicht diesen Einchränkungen unterliegen. Jedoch ist deren Einsatz für praktische Verbrennungssysteme noch immer nur in seltenen Fällen sinnvoll aufgrund der extrem hohen Rechenzeitanforderungen. Dem gegenüber gibt es eine Reihe von Schließungsansätzen, die die Verwendung detaillierter kinetischer Mechanismen bei akzeptablen Rechenressourcen versprechen. Dazu gehört der Partially Stirred Reactor (PaSR) und das Eddy Dissipation Concept (EDC)-Modell.

Um diese Modelle unter unkonventionellen MILD-Verbrennungsbedingungen zu bewerten, wurden mehrere Prototypenbrenner ausgewählt. Dazu gehören die Adelaide und Delft Jet-in-Hotcoflow (JHC)-Brenner sowie die Cabra-abgehobenen Flammen im vitiated Coflow. Sowohl Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) als auch Large Eddy Simulationen (LES) wurden für diese Brenner unter verschiedenen Betriebsbedingungen und mit unterschiedlichen Brennstoffen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Mischung als auch die chemische Zeitskalen in der Formulierung des Verbrennungsmodells explizit berücksichtigt werden müssen.

Die verallgemeinerten Modelle, die derzeit entwickelt werden, zeigen im Vergleich zu den verfügbaren, hochpräzisen experimentellen Daten, insbesondere in ihren LES-Formulierungen, sehr gute Prädiktivität. Die fortgeschrittenen Ansätze für die Bewertung der Mischung und der chemischen Zeitskala wurden mit mehreren konventionellen Ansätzen verglichen und zeigten sowohl sehr gute Ergebnisse für ein breites Anwendungsspektrum. Darüber hinaus wurde der PaSR-Ansatz mit dem stationären Flamelet Progress Variable (FPV)-Modell zur Vorhersage der angehobenen Cabra-Flamme verglichen. Ein wichtiges Ergebnis ist, dass das instationäre Verhalten bei Verlöschung und Wiederzündung für die betrachteten Flammen angemessen berücksichtigt werden sollte.

Aufgrund der verteilten Reaktionsfläche können die Reaktionsstrukturen bei der MILD-Verbrennung potenziell auf einem Large Eddy Simulation (LES)-Gitter gelöst werden. Um dies detailliert zu untersuchen wurde eine Vergleichsstudie durchgeführt, die die LES-Vorhersagen für den JHC-Brenner mit dem PaSR- Schließungsansatz und zwei impliziten Verbrennungsmodellen vergleicht, wobei die impliziten Modelle gefilterte Arrhenius-Ausdrücke verwenden. Die Ergebnisse zeigen, dass die impliziten Modelle sehr ähnlich mit dem konventionellen PaSR-Modell sind bzgl. der Vorhersage der Flammeneigenschaften.

Um die mit der Verwendung großer kinetischer Mechanismen verbundenen Rechenaufwand zu senken, wurden Methoden der chemischen Reduktion und Tabellierung zur dynamischen Reduzierung ihrer Größe getestet und verglichen, so dass eine bedarfsgerechte Zuweisung von Ressourcen erreicht wurde. Schließlich wurden weiterführende Auswertungen basierend auf Computational Singular Perturbation (CSP), eingesetzt, um das aktuelle Verständnis von Flamm-Turbulenz- Wechselwirkungen unter MILD-Bedingungen zu verbessern. Die Ergebnisse bestätigen ebenfalls die wichtige Rolle der Selbstzündung und Selbstausbreitung bei diesen Flammen.