Numerische Simulation von Verbrennungslärm vorgemischter turbulenter Flammen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden akustische Quellen vorgemischter Flammen untersucht. Hierzu wurde eine Kopplung aus inkomplessibler LES für reagierende turbulente Strömungen mit einem externen Akustiklöser verwendet. Diese Kopplung basiert darauf, dass im Strömungslöser das turbulente reagierende Strömungsfeld mit den jeweiligen Modellen in einem inkompressiblen Kontext abgebildet wird, der für Flammen mit geringen Machzahlen zahlreiche Vorteile bietet. Neben der Abbildung der Strömung wird im LES-Kontext auch die akustische Quelle abgebildet. Diese wird im Anschluss zusammen mit weiteren für die Akustik relevanten Fluideigenschaften, wie Dichte oder Schallgeschwindigkeit, an das jeweilige CAA-Prgramm übergeben. Diese Felder werden im CAA-Kontext nun dazu benutzt, das von der Quelle induzierte Druckfeld abzubilden. Als Basis für die Simulation des akustischen Feldes wurden die linearen Euler-Gleichungen verwendet. Es kamen vier verschiedne Simulationswerkzeuge zum Einsatz. Für inkompressible LES wurden die Programme FLOWSI und FASTEST verwendet. Das Simulationsprogramm FLOWSI basiert auf einem äquidistantem zylindrischen Gitter und ist dazu geeignet, geometrisch einfache Konfigurationen effizient zu lösen. Das Programm FASTEST basiert auf einem blockstrukturierten Gitter und eignet sich damit zur Abbildung komplexer Geometrien. Zur Simulation des akustischen Feldes wurden ebenfalls zwei verschiedene Werkzeuge verwendet. Das Programm CLAWPACK wurde für vorgemischte Flammen an den Strömungslöser FLOWSI gekoppelt. Das Simulationswerkzeug PIANO wurde an den Strömungslöser FASTEST für vorgemischte Flammen gekoppelt. Das Hauptaugenmerk lag bei dieser Arbeit neben der Kopplung der verschiedenen Programme auf der Entwicklung akustischer Quellen zur Beschreibung akustischer Vorgänge in turbulenten vorgemischten Flammen. Da diese Konfigurationen eine sehr dünne Flammenfront aufweisen im Vergleich zu den Diffusionsflammen, war die Verwendung der akustischen Quellen, die für Diffusionsflammen hergeleitet wurden, nicht möglich. Daher wurde eine neue Quelle, welche für den hybriden Ansatz einer LES/CAA-Simulation verwendet werden kann, entwickelt. Um die neu entwickelte Quelle validieren zu können, wurde der Tecflam-Brenner, der am Fachgebiet für Energie- und Kraftwerkstechnik entwickelt und gebaut wurde, verwendet. Neben experimentellen Messungen der Strömung und Verbrennung wurden bei der Konfiguration im Rahmen dieser Arbeit auch experimentelle Untersuchungen der Akustik durchgeführt. Die numerische Simulation des Tecflam-Brenners erfolgte mit zwei verschiedenen Modellen. Als ersten Schritt wurde die G-Gleichung, die für diese Konfiguration im Simulationswerkzeug FLOWSI bereits implementiert wurde, verwendet. Durch die Kopplung des Programms CLAWPACK in zylindrischen Koordinaten konnte das akustische Feld dieser Konfiguration untersucht werden. Als zweiten Schritt zur Validierung der neu entwickelten akustischen Quelle wurde der Tecflam-Brenner im Kontext des ATF-Modells simuliert. Diese Konfiguration stand im Simulationsprogramm FASTEST zur Verfügung. Da das ATF- Modell andere Eigenschaften als das G-Gleichungsmodell besitzt, wurden auch in diesem Kontext sowohl die akustischen Untersuchungen der neu entwickelten Quelle als auch der ursprünglichen Beschreibung für Diffusionsflammen durchgeführt mit der Kopplung des CAA-Werkzeugs PIANO an den Strömungslöser FASTEST.

The scope of this work was the investigation of acoustic sources within a turbulent premixed flame. The investigations were based on a coupling of an incompressible LES for turbulent reacting flows with an external acoustic solver. Four different CFD tools have been used in the present study. For the numerical simulation of incompressible turbulent flows at the low Mach-number (Ma<<1) two different codes, FLOWSI and FASTEST-3D, were used. Flow simulation tool FLOWSI is based on the equidistant cylindrical grid and is able to solve simple geometrical problems in an efficient way. Flow simulation tool FASTEST-3D is based on a block-structured grid and is suitable for solutions of configurations with complex geometry. For numerical simulations of acoustic propagation two different tools were coupled on FLOWSI and FASTEST-3D codes. In the first case coupling between FLOWSI and CLAWPACK was realized. In the second case flow simulation tool FASTEST-3D was coupled with PIANO, a code which is used to describe the acoustic field. The quality of the numerical results has been assessed by comparison of LES data with available experimental results for acoustic field obtained on the Tecflam-Burner. Numerical description of turbulent premixed flame was performed by means of G-Equation-Model (coupling FLOWSI and CLAWPACK) on the one hand and using Artificially Thickened Flame Model (coupling FASTEST and PIANO) on the other. New acoustic sources, which have been investigated in this work, lead to encouraging results in both cases.