Grüner Wasserstoff ist eine vielversprechende nachhaltige Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen, um die globale Erwärmung zu begrenzen. Eine der kosteneffizientesten Arten der Energieerzeugung basiert auf seiner direkten thermischen Umwandlung durch Verbrennung. Um die Entwicklung technischer Brennkammern für grünen Wasserstoff voranzutreiben, sind jedoch detaillierte Kenntnisse seiner Verbrennungsdynamik erforderlich, die sich deutlich von der konventioneller Brennstoffe unterscheidet. Dabei sind simulationsgestützte Entwurfsprozesse, die prädiktive und recheneffiziente Modelle einbeziehen, unverzichtbar geworden. Allerdings müssen etablierte Modelle kritisch überprüft und möglicherweise an die Eigenschaften von Wasserstoffflammen angepasst werden. Insbesondere die hohe Reaktivität und Diffusivität von Wasserstoff führen zu Mischungsinhomogenitäten in der Nähe der Reaktionszonen, die als differentielle Diffusion bekannt sind. Dies führt auch zu einer starken Sensitivität gegenüber Änderungen der Flammenoberfläche, die als Flammenstreckung bezeichnet werden und wiederum in Streckungs- und Krümmungseffekte unterteilt werden können. In mageren Wasserstoff-Luft Flamen führt das Zusammenspiel von differentieller Diffusion und Streckung zu stark gewellten Flammenfronten mit zellularen Strukturen, da sie thermo-diffusiven Instabilitäten unterliegen. Diese Instabilitäten verändern die Flammendynamik und werden von den bestehenden Modellen noch nicht erfasst.

In dieser Arbeit werden verschiedene physikalische Phänomene in vorgemischten Wasserstoff-Luft-Flammen analysiert, wobei der Schwerpunkt auf differentieller Diffusion, Flammenstreckung und thermo-diffusiven Instabilitäten liegt. Flammen mit beliebigen Kombinationen von Streckung und Krümmung werden systematisch unter Verwendung eines "Composition space"-Modells untersucht, das sensitive Änderungen in globalen Flammeneigenschaften, Flammenstrukturen und Reaktionswegen aufzeigt. Auf der Grundlage dieser Analyse wird ein neuartiger Flamelet-Modellierungsansatz entwickelt, der eine tabellierte Mannigfaltigkeit, differentielle Diffusion und eine Kopplungsmethode durch den Transport der wichtigsten Spezies umfasst. Rigorose Bewertungen zeigen die Genauigkeit des Modells bei der Vorhersage von Zündungscharakteristiken, Flammendynamik und Flammenstrukturen in verschiedenen Wasserstoff-Luft-Gemischen. Das Modell zeigt signifikant verbesserte Vorhersagen für die Flammenstruktur in laminaren und turbulenten thermo-diffusiv instabilen Wasserstoff-Luft Flammen, wenn es um Streckungs- und Krümmungsvariationen erweitert wird. Durch die Demonstration der Leistungsfähigkeit des neuartigen Modells in verschiedenen Flammenkonfigurationen stellt diese Arbeit einen wesentlichen Fortschritt in der prädiktiven Simulation von technischen Wasserstoffbrennern dar.