Flamelet-basierte Modelle zur Beschreibung turbulenter Flammen gehen von der gedanklichen Annahme aus, dass turbulente Flammen aus kleinen laminaren „Flämmchen“ (dünnen Flammenstrukturen mit deutlich kleineren Zeitskalen im Vergleich zur Strömung), den so genannten „flamelets“ aufgebaut sind. Angesichts dieser Eigenschaft lässt sich der Verbrennungsprozess durch einige wenige Kontrollvariablen parameterizieren, was eine signifikante Reduzierung der benötigten Rechenzeit zur Folge hat. Das FTACLES (Filtered Tabulated Chemistry for LES)-Verbrennungsmodell, welches in erster Linie zur Beschreibung turbulenter vorgemischter Verbrennung ausgelegt wurde, basiert auf der direkten Anwendung eines Filteroperators für eindimensionale laminare Flamelets. Da das Konzept gleichzeitig enorme Flexibilität und einfache Handhabung mit keinen zusätzlichen Annahmen bietet, wurde von Coussement eine Erweiterung des Modells für turbulente Diffusionsflammen ohne Feinstruktur (subgrid scale (SGS))-Verwickelung vorgeschlagen. Das neue Modell (FTACLES für nicht-vorgemischte Verbrennung) wurde auf nicht-aufgelöste ein- und zweidimensionale Gegenstrom-Flammenkonfigurationen angewendet. Ermutigende Ergebnisse konnten berichtet werden. Die Evaluierung des Ansatzes anhand einer praxis-realistischeren Konfiguration ist jedoch noch nicht unternommen worden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich nun mit der Entwicklung und Anwendung des Modells (FTACLES für nicht-vorgemischte Verbrennung) im Large Eddy Simulation (LES)-Kontext. Im ersten Schritt werden die Effekte der Filteroperation auf nicht-vorgemischte Flamelets, und zwar unter Berücksichtigung sowohl der individuellen Flamelets als auch des gesamten Manifolds sorgfältig bewertet. Anschließend wird eine systematische Vorgehensweise verfolgt, bei der zunächst die numerische Implementierung überprüft bzw. verifiziert wird. Danach erfolgt die Validierung anhand einer laminaren Coflow-Diffusionsflamme. Die erzielten vielversprechenden Ergebnisse geben Anlass die Tauglichkeit dieses Modells anhand einer komplexeren turbulenten Konfiguration zu beurteilen. Die umfassende Bewertung der Vorhersagekraft des Modells geschieht im letzten Schritt unter turbulenten Bedingungen der so genannten Flammen D und E, wobei der Ansatz in Kopplung mit einer SGS-Verwickelungsmodellfunktion und dem vorgeschlagenen Flammentensor eine adäquate Beschreibung der verwickelten Flammenfront ermöglicht.

Die Untersuchung anhand der laminaren Diffusionsflamme offenbart einen deutlichen Einfluss der Dimensionalität der Flamme auf die Resultate. Ein Flammensensor, basierend auf dem Gradienten des Mischungsverhältnisses, mit einer gewissen Toleranz zur Berücksichtigung der numerischen Gitterauflösung, wird eingeführt. Der erweist sich geeignet, um zufriedenstellende Ergebnisse erzielen zu können. Die sensorgesteuerte Modellaktivierung ermöglicht eine adäquate Beschreibung der zugrunde liegenden Physik hinter der Flammenfilterung, und bestätigt somit die Konsistenz der numerischen Prozedur. Die Evaluierung des nicht-vorgemischten FTACLES-Modells anhand von turbulenten Flammen zeigt, dass die Kopplung des Ansatzes mit einer SGS-Verwickelungsmodell-funktion die Charakteristiken einer verwickelten Flammenfront ausreichend beschreiben kann. Unter Verwendung einer dreidimensionalen Tabellierungsstrategie, bei der das numerische Gitter mit dem Modell über den dritten Parameter, hier die Größe der Gitterzelle, gekoppelt ist, zeigt das Modell eine signifikant höhere Vorhersagekraft. Die Vorhersagen der stabilen Hauptspezies und der Minor-Spezies stehen in guter Übereinstimmung mit der physikalischen Erfahrung.

Die hier erzielten Ergebnisse haben eine tiefe theoretische Bedeutung für die Verbrennungsforschung. Zunächst wird die Idee bestätigt, dass die SGS-Modellierung eines diffusiven Verbrennungsprozesses anhand von Filterargumenten abgeleitet werden kann, und nicht nur anhand einer statistischen Approximation. Zweitens wird das enorme Potenzial des nicht-vorgemischten FTACLES-Formalismus in Kopplung mit einem geeigneten Flammensensor und einer physikalisch konsistenten SGS-Verwickelungsmodellfunktion demonstriert.