Modeling of near-wall flame dynamics in laminar and turbulent combustion

For the transition to a CO2-neutral energy economy, it is necessary to adapt technical combustion systems for low-emissions and highly efficient operation with alternative fuels from renewable sources. In the design of these novel combustors, numerical simulations can be a powerful tool. However, the key to a simulation-aided design process is the comprehension of the fundamental physical processes and their integration into predictive combustion models. The interaction of flames with combustor walls is one of these crucial physical phenomena. Flame-wall interactions result in heat losses that decrease the combustion efficiency and increase pollutant formation. In this thesis, the modeling of flame-wall interactions with chemistry manifolds is investigated in several generic configurations. The starting point is the investigation of laminar, premixed flame-wall interaction under atmospheric conditions. Previous findings of methane-air flames are extended to more complex oxygenated fuels. Subsequently, the complexity of the configuration is progressively increased. In a second configuration, the effect of turbulence on the quenching flame is addressed. On the one hand, flame-vortex interaction is analyzed. This mixing phenomenon is caused by the interaction of turbulent vortices with the flame tip and alters the near-wall flame structure and pollutant formation. A novel chemistry manifold is presented and validated that captures the effect of flame-vortex interactions by an additional manifold dimension. On the other hand, a novel turbulence-chemistry interaction closure model is presented. The model accounts for the effect of unresolved fluctuations in Reynolds-averaged Navier-Stokes and large eddy simulations. In two further configurations, the impact of external mixture stratification and pressure effects is investigated. The relevant physical phenomena, that must be integrated into existing closure models, are identified. The insights gained provide the foundation for future model development. In conclusion, this thesis presents significant advancements in the modeling of flame-wall interaction using chemistry manifolds that pave the path toward the simulation of partially premixed, turbulent flame-wall interactions under pressurized conditions within technical combustors.

Für den Umstieg zu einer CO2-neutralen Energiewirtschaft ist es zwingend erforderlich technische Verbrennungssysteme für einen emissionsarmen und hocheffizienten Betrieb mit alternativen Brennstoffen aus erneuerbaren Quellen anzupassen. Beim der Entwicklung dieser neuen Brennkammern können numerische Simulationen ein sehr mächtiges Werkzeug sein. Jedoch liegt der Schlüssel für eine simulationsgestützte Auslegung dieser Brennkammern im Verständnis der grundlegenden physikalischen Prozesse und deren Integration in prädiktive Verbrennungsmodelle. Die Wechselwirkung von Flammen mit Brennkammerwänden ist eines dieser entscheidenden physikalischen Phänomene. Flamme-Wand-Wechselwirkungen führen zu Enthalpieverlusten, die den Wirkungsgrad verringern und die Schadstoffbildung erhöhen. In dieser Arbeit wird die Modellierung der Flamme-Wand-Wechselwirkung mithilfe von Chemietabellen in verschiedenen generischen Konfigurationen untersucht. Der Startpunkt ist die Analyse der laminaren, vorgemischten Flamme-Wand-Wechselwirkung unter atmosphärischen Bedingungen. Hier werden die bisherigen Erkenntnisse über Methan-Luft-Flammen auf komplexere sauerstoffhaltige Brennstoffe erweitert. Anschließend wird die Komplexität der Konfigurationen schrittweise erhöht. In einer zweiten Konfiguration wird der Einfluss von Turbulenz auf die Flamme-Wand- Wechselwirkung untersucht. Zunächst wird die Flamme-Wirbel-Interaktion analysiert. Dieses Mischungsphänomen wird durch die Interaktion turbulenter Wirbelstrukturen mit der Flammenspitze verursacht und beeinflusst die wandnahe Flammenstruktur und die Schadstoffbildung. Eine neuartige Chemietabelle wird vorgestellt und validiert, welche die Wirkung von Flamme-Wirbel-Interaktionen durch eine zusätzliche Tabellendimension abbildet. Des Weiteren wird ein Schließungsmodell für die Turbulenz- Chemie-Interaktion präsentiert. Das Modell berücksichtigt den Einfluss nicht aufgelöster turbulenter Fluktuationen in Reynolds-gemittelten Navier-Stokes und Grobstruktur- simulationen. In zwei weiteren Konfigurationen wird der Einfluss von einer externen Flammenstratifizierung und Druckeffekten auf die Flamme-Wand-Wechselwirkung untersucht. Dabei werden relevante physikalische Prozesse herausgearbeitet, die in die bestehenden Schließungsmodelle integriert werden müssen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für zukünftige Modellentwicklungen. Zusammenfassend stellt diese Arbeit einen bedeutenden Fortschritt in der Modellierung der Flamme-Wand-Wechselwirkung mit Hilfe von Chemietabellierung dar. Die Erkentnisse ebnen den Weg für prädiktive Simulationsmodelle für partiell vorgemischte, turbulente Flamme-Wand-Wechselwirkungen unter Druck, wie sie in technischen Brennkammern vorkommen.