Die stetig steigenden Anforderungen an moderne Verbrennungsprozesse in Bezug auf Effizienz und Schadstoffreduktion machen die Optimierung bestehender und die Entwicklung neuer Verbrennungsprozesse sowie den Einsatz alternativer Kraftstoffe notwendig. Numerische Simulationen liefern hierbei einen Beitrag in der Entwicklung und dem Verständnis dieser Prozesse. Eine effiziente Methodik der Verbrennungs-Modellierung stellt die Vortabellierung von Flammenstrukturen dar. Für die Simulation von nicht-vorgemischten Freistrahlflammen hat sich der sogenannte Flamelet-Progress-Variable (FPV) Ansatz etabliert. In diesem wird die in der 3D-CFD nicht-aufgelöste Flammenstruktur mittels eindimensionaler Diffusionsflammen mit unterschiedlichen Streckungsraten modelliert. Die Fortschrittsvariable dient als reaktiver Skalar der Beschreibung des Reaktionsfortschrittes dieser Strukturen. Dieser Ansatz liefert in Verbindung mit der Grobstruktursimulation der in technischen Systemen typischerweise auftretenden turbulenten Strömung für viele Anwendungsgebiete sehr gute Ergebnisse. Die Vorannahme von Flammenstrukturen impliziert jedoch Modellierungsannahmen, die stetig für neue Anwendungen überprüft werden müssen.

Es ist beispielweise bekannt, wie differentieller Diffusion entlang der Flammenstruktur modelliert werden kann. Die Dämpfung differentieller Diffusion aufgrund turbulenter Strukturen muss jedoch direkt in der Diffusionsmodellierung der Flammenstrukturen vorgebeben werden. Es können somit Flammen mit stark ausgeprägtem Einfluss differentieller Diffusion und Flammen ohne relevanten Einfluss dieser gut abgebildet werden. Experimentelle Daten einer nicht-vorgemischten Oxy-Fuel Jet-Flamme mit Wasserstoffbeimischung haben jedoch gezeigt, dass der Effekt differentieller Diffusion in seiner Ausprägung lokal sowie für einzelne Spezies variieren kann. Die Evaluation moderner Modellierungsansätze für die Abbildung dieses Effektes stellt den ersten Teil der vorliegenden Dissertation dar. Hierbei werden die vorhandenen Ansätze der Diffusionsmodellierung verschiedener Komplexität in der Beschreibung der Flammenstruktur systematisch verglichen. Die Komplexität der resultierenden Flammenstruktur macht hierbei die Erarbeitung einer geeigneten Tabellenparametrierung notwendig, welche im Rahmen der vorliegenden Dissertation präsentiert wird. Die verschiedenen Ansätze werden in einer a-priori Analyse der Flammenstruktur sowie in gekoppelten Grobstruktursimulationen mit experimentellen Raman/Rayleigh Daten abgeglichen. Hierbei werden Potentiale der einzelnen Modellierungsansätze herausgearbeitet. Die identifizierten Limitierungen zeigen den weiteren Forschungsbedarf in diesem Bereich auf.

Ein weiterer technischer Bereich, in dem sich die Tabellierung von Flammenstrukturen als valider Ansatz etabliert hat, stellt die dieselmotorisch relevante Hochdruck-Sprayverbrennung dar. Die Herausforderung besteht in diesem Bereich in der Abbildung der Vielzahl auftretender Vorgänge während des in der Regel zweistufigen Zündverlaufes bis hin zur Schadstoffbildung. Die Tabellierung zündender instationärer Diffusionsflammen (Unsteady Flamelet Progress Variable Approach, UFPV) liefert hierbei in einer Vielzahl von Arbeiten sehr gute Ergebnisse. Der Bereich einbezogener Streckungsraten unterscheidet sich dabei stark zwischen den in der Literatur gezeigten Modellierungsansätzen. Die Modellgüte in Bezug auf globale Verbrennungscharakteristiken ist jedoch oft sehr ähnlich. Die vorliegende Dissertation liefert hierbei einen Beitrag im Rahmen einer systematischen Diskussion des Einflusses verschiedener Streckungsraten in der Spray-Simulation. Als Referenzfall wird der im Engine Combustion Network definierte Einlochinjektor Spray A verwendet. Es wird im Rahmen dieser Dissertation gezeigt, dass die Streckungsrate die Zündung stromauf der Flammen-Abhebelänge verzögert. Zudem wird für diesen Fall lokales Verlöschen während der Zündung identifiziert. Dessen Wahrscheinlichkeit ist aber vergleichsweise gering. Neben der Zündung stellt die Schadstoffbildung in diesen Spray-Flammen ein Problem von hoher technischer Relevanz dar. Die Herausforderung besteht hierbei in der Formulierung der Fortschrittsvariablen für die stark unterschiedlichen Zeitskalen von Zündung und der langsamen Entwicklung von Schadstoffspezies wie Stickoxide und Rußvorläufer. Die vorliegende Dissertation ergänzt hierbei die in der Literatur bekannten Lösungsansätze um eine neue Fortschrittsvariablendefinition. Diese setzt sich aus zwei Fortschrittsvariablen zusammen, welche für sich die einzelnen Prozesse der Zündung und Schadstoffbildung beschreiben. Der Ansatz wir im Rahmen der Dissertation daher als Unsteady Flamelet Composed Progress Variable (UFCPV) Ansatz bezeichnet. Dieser wird in einem eindimensionalen Testfall in Bezug auf die Abbildung von Zündung und Schadstoffbildung unter dieselmotorisch relevanten Bedingungen verifiziert. Zudem zeigt der Vergleich mit der ursprünglichen Definition die Verbesserung des Ansatzes auf. Die Validierung des Ansatzes in der 3D-Simulation erfolgt wiederum anhand des ECN Spray A. Für den Abgleich werden 355-nm PLIF Daten sowie erst kürzlich veröffentlichte 355-nm high-speed PLIF Daten herangezogen. Diese erlauben einen detaillierten Abgleich der räumlich und zeitlich aufgelösten Struktur von Formaldehyd und Rußvorläufern. Hierbei zeigt die Simulation eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Anhand des validierten Modells werden zudem experimentell getroffene Aussagen bezüglich der Separation der genannten Spezies und deren dynamisches Ablöseverhalten erstmals in einer numerischen Studie analysiert und mit periodischen Schwankungen des Mischungsbruchfeldes in Verbindung gebracht. Die Anwendung auf den ECN Spray D dient weiterhin der Untersuchung der Eignung des Modells unter Variation des Düsenlochdurchmessers. Es zeigt sich hierbei eine Unterschätzung der Zündverzugszeit. Es kann aber anhand des Vergleiches mit bisher unveröffentlichten 355-nm high-speed PLIF Daten gezeigt werden, dass die resultierende Flammenstruktur die experimentell ermittelte Morphologie unter Einbezug dieses Zeitversatzes gut wiedergeben wird. Dies legt nahe, dass chemische Reaktionen zwar zu früh initiiert werden, die sich ausbildende Flammenstruktur aber valide ist. Das validierte Modell ermöglicht die Erarbeitung eines umfassenden Überblickes über die Struktur der Sprayflamme unter Einbezug aller relevanten Größen entlang der Wirkkette von der Injektion bis zur Bildung gasförmiger Schadstoffe. Dieser wird für den ECN Spray A und den ECN Spray D präsentiert.