Die Teilprojekte im Projektbereich A beschäftigen sich mit der Aufbereitung des Brennstoffes und insbesondere mit der Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung von Zweiphasenströmungen unter gasturbinentypischen Bedingungen. Im Teilprojekt A1 werden die Tropfen-Bildungsmechanismen von verdrallten Düsen weiter untersucht. Bekannt ist die starke Abhängigkeit von Airblast-Zerstäubern von Druck und Temperatur. Unbekannt ist noch die Systematik dieser Abhängigkeiten, um die notwendigen Teilmodelle für eine numerische Simulation zu formulieren. Deshalb wird in diesem Teilprojekt das Zerstäubungsbild solcher Zerstäuber unter den Bedingungen von oszillierenden Umgebungsbedingungen untersucht. Als besonderes Merkmal des Vorhabens ist die Verwendung einer neuen Messtechnik hervorzuheben, die flächenhaft die Tropfengröße und –geschwindigkeit erfasst. Diese wurde in der ersten Förderungsperiode entwickelt. Die erzielten Erkenntnisse sollen einen Beitrag zu der Beantwortung der Frage liefern, inwiefern der Zerstäuber eine Ursache oder zumindest ein verstärkender Faktor bei den bekannten Leistungsoszillationen in Brennkammern von Gasturbinen ist.

Im zweiten Teilprojekt A2 wird das wichtige Thema der Verdampfung von Wandflüssigkeitsfilmen betrachtet. Insbesondere sollen Wände mit feiner Struktur zur Stabilisierung des Strömungs- und Verdampfungsprozesses untersucht werden. Darauf basierend werden die Schwerpunkte in der zweiten Förderungsphase auf Messdaten-Auswertung sowie Filmströmungsmodellierung und numerische Simulation gelegt.

Die Wechselwirkung der Tropfen miteinander im reagierendem Fall wird im Teilprojekt A3 betrachtet. Dabei sollen Modelle für die Verdampfung, das Zündverhalten und die Verbrennung von mehreren Tropfen erweitert werden. Im Teilprojekt A4 wird eine thermodynamisch konsistente Gesamtmodellierung von Gasturbinen Sprays durchgeführt, in der dichte Spraybedingungen, die am Düsenaustritt bereits vorliegen, in eine URANS-Basis mit eingeschlossen werden. Insbesondere wird ein Strahlzerfall-Modell sowie die Interaktion zwischen verdampfenden Tropfen berücksichtigt. Das in Teilprojekt A3 entwickelte Tropfen-Wechselwirkungs-Modell sowie die in Teilprojekt A1 entwickelte Messtechnik zur flächenhaften Erfassung der Tropfengröße und –geschwindigkeit werden hier sowohl in der Modellentwicklung als auch im Validierungsexperiment eingesetzt werden.

Projektbereich B zeichnet sich durch Teilprojekte aus, die sich mit experimenteller, theoretischer und numerischer Beschreibung der Verbrennung in Gasturbinenbrennkammern befassen. Hierzu ist die Entwicklung geeigneter Meßtechniken und Softwareprogramme notwendig. Dazu gehört auch die Entwicklung einer deduktiven Reduktionsstrategie komplexer Reaktionsmechanismen auch unter Einsatz von Rußmodellen, die Formulierung geeigneter Turbulenz-Chemie-Interaktionsmodelle sowie die Beurteilung des Einflusses der Rezirkulationszone für das Stabilitäts- bzw. Verlöschungsverhalten der Flamme.

In zukünftigen Triebwerksgenerationen mit steigenden Drücken und Temperaturen in den Brennkammern werden gleichzeitige Abmagerung und Homogenisierung des Gemisches angestrebt. Die genaue Kenntnis der mageren Stabilitätsgrenze ist dabei unverzichtbar. Um solche Vorgänge zu beherrschen, müssen daher die Kenntnisse der Interaktion der Chemie mit der Turbulenz, die u.a. das Phänomen Flammenstabilität und Verlöschen beeinflußt, weit entwickelt sein. In der zweiten Förderungsperiode sollen im Teilprojekt B1 einerseits die Methoden, die in der ersten Periode erarbeitet wurden, weiter eingesetzt werden, um das Verlöschen auch in mehr technisch orientierten Flammen zu untersuchen. Andererseits soll, wie bereits im Erstantrag skizziert, zusätzlich die PIV in Kombination mit der PLIF verwendet werden, um die Interaktion einzelner Wirbel mit der Reaktionszone genauer zu untersuchen. Dabei wird angestrebt, zusätzlich zu der 2D-räumlichen Information des Geschwindigkeitsfeldes auch dessen zeitliche Änderung zu bestimmen.

Zum Verständnis der chemischen Kinetik in Gasturbinenbrennkammer-Umgebung werden zum einen in Teilprojekt B2 reduzierte Reaktionsmechanismen für die Kohlenwasserstoffverbrennung mit Hilfe geeigneter Verfahren (Intrinsic Low-Dimensional Manifolds für die Flammenfortpflanzung, Homogeneous History Assumption für die Zündung) erstellt und mit Hilfe entsprechender Ergebnisse für detaillierte Reaktionsmechanismen getestet. Dabei soll eine Reduzierung auf die Variablen Temperatur, Druck. Mischungsbruch und maximal 5 (an die Spezies-Konzentrationen gekoppelte) Fortschrittsvariable angestrebt werden. Zum anderen wird ein vereinfachtes Modell für die Rußbildung in Gasturbinen in Teilprojekt B4 weiterentwickelt.

Die im Teilprojekt B2 entwickelten Reduktionsstrategien werden im Teilprojekt B3 als ein zentrales Verbrennungsmodell benötigt. Im letzteren wird die Grobstruktursimulation (LES) von kinetischen Effekten in Verbrennungssystemen mit innerer Rezirkulation theoretisch-numerisch und experimentell weiter untersucht. Diese soll in gasturbinentypischen Konfigurationen angewandt werden.

Außerdem wird ein vereinfachtes Modell für die Rußbildung weiterentwickelt, getestet und validiert. Dabei müssen neu angefallene Reaktionsgeschwindigkeits-Daten für die Bildung von Aromaten, Ruß-Vorläufern (insbesondere C3H3) und Polyaromaten, Teilchenwachstum und der zugrundeliegenden Hochtemperaturverbrennung der zu betrachtenden Brennstoffe (Erdgas, Kerosin) kompiliert und einbezogen werden.

Projektbereich C beinhaltet Aufgabenstellungen, die sich mit der Einbeziehung der Brennkammer-Berandungen und der Wechselwirkungen mit angrenzenden Bereichen der Turbomaschinen beschäftigen. Bei der numerischen Behandlung der wandnahen Vorgänge in Brennkammern, die für die gesamte Brennkammerströmung und insbesondere für den Wärmeübergang an die Brennkammerwände und deren Kühlung von wesentlicher Bedeutung sind, hängt die Aussagefähigkeit von Berechnungsergebnissen entscheidend von der Güte der Modellierung der wandnahen Turbulenz ab.

Das Teilprojekt C1 befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen Strömung und Verbrennung in der Brennkammer und den Strömungsvorgängen in den stromauf und stromab angrenzenden Teilen der Turbomaschinen. Insbesondere soll der Einfluss des Verdichters auf die Aufteilung des Luftmassenstroms in bzw. um das Flammenrohr sowie auf die Wechselwirkung mit den flammenrohrinternen Instabilitäten untersucht und ein Modell zur Voraussage der Strömungsbedingungen am Brennkammereintritt bereitgestellt werden. Um die notwendigen Erkenntnisse zur Innenströmung bzw. –mischung liefern zu können, die für das Verständnis der Verbrennungsvorgänge unerlässlich sind, wird sich das Teilprojekt C2 mit der detaillierten Untersuchung der Strömung und Mischung in der Primärzone moderner Ringbrennkammern beschäftigen. Dabei wird zur Erfassung instationärer Bewegungen bei der Vermischung zeitaufgelöste flächenhafte Messtechnik eingesetzt. Auf die Verbesserung der Modellierung konvektiver Wärmeübertragung unter Berücksichtigung der wandnahen Turbulenz zielt das Teilprojekt C3 in diesem Projektbereich.

Eine wesentliche Voraussetzung für ein leistungsfähiges integrales Gesamtmodell zur Simulation von Brennkammern, dessen Entwicklung das zentrale Ziel der Arbeiten im Rahmen des SFBs darstellt, ist zum einen die Effizienz der Teilkomponenten, da das schwächste Glied die Leistungsfähigkeit des Gesamtmodells bestimmt, und zum anderen deren effiziente Integration. Letzteres soll auf der Grundlage einer gemeinsamen Software-Plattform realisiert werden, welche für Strömungsberechnungen mit Wärme- und Stofftransport mit zugehöriger Benutzerumgebung zur Verfügung steht.

Die Effizienz der Teilkomponenten wird in großem Maße von den Möglichkeiten zur schnellen und zuverlässigen Berechnung turbulenter Strömungen bestimmt. Neben der Integration beinhaltet damit auch dieser Gesichtspunkt stark projektübergreifenden Charakter. Beide Aspekte sollen daher als Querschnittsthemen bearbeitet werden.

In diesem Sinne sind die Teilprojekte D1 bis D3 zu verstehen. Bei letzterem wurden die Aktivitäten zu Beginn auf RANS-Modelle konzentriert, die nun auf LES-Verfahren ausgeweitet werden sollen. Im Teilprojekt D4 sollen Methoden entwickelt werden, die eine adaptive Steuerung der Genauigkeit in Grobstruktursimulationen ermöglichen. Ziel dieser adaptiven Steuerung ist sowohl die Charakterisierung des Gesamtfehlers der LES als auch eine effektive Steuerung der Filterweite.

Da eine Reihe von Lehrstühlen der Technischen Universität Darmstadt und des Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg am SFB beteiligt sind, soll die Verwaltung des SFB zentral erfolgen. Der Projektbereich “Zentrale Aufgaben” umfasst die Koordinierung der gemeinsamen organisatorischen Arbeit des SFB und dient dazu, die Zusammenarbeit mit der Geschäftsstelle der DFG und der Verwaltung der Technischen Universität Darmstadt sowie des Zentrums für wissenschaftliches Rechnen der Universität Heidelberg gemeinsam zu verwalten.

Da dieser Sonderforschungsbereich auch anwendungsnahe Aspekte bearbeitet und in einigen Projekten sehr gute Fortschritte erzielt wurden, sind bisher vier Transferprojekte beantragt worden, von denen bisher zwei bewilligt wurden. Beide Projekte befassen sich schwerpunktmäßig mit der Übertragung von Grobstruktursimulationsmodellen für Verbrennungsprozesse und Zweiphasen-Strömungen in industrielle Auslegungswerkzeuge.