Turbulente Wasserstoffflammen: Physikalische und modellierungstechnische Auswirkungen
摘要
Wasserstoff weist besondere Brenneigenschaften auf, wie z. B. eine schnelle laminare und damit turbulente Flammengeschwindigkeit sowie eine breite Entflammbarkeitsgrenze. Aufgrund dieser Eigenschaften könnten die bestehenden numerischen Modelle, die z. B. für Erdgas oder Brennstoffe mit der Annahme einer einheitlichen Lewis-Zahl entwickelt wurden, eingeschränkt oder sogar unbrauchbar sein. Dieses Kapitel diskutiert die Modelle für turbulente Flammengeschwindigkeit und lokale Verschiebung der Geschwindigkeit von reinen mageren Wasserstoff-Vormischflammen, insbesondere für ein breites Spektrum an Turbulenzniveaus. Darüber hinaus wird die Vorhersagefähigkeit der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF)-Modellierung, die das weit verbreitete laminare Flammenkonzept für Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANS) oder Large-Eddy-Simulation (LES)-Ansätze übernimmt, a priori anhand eines Satzes modernster direkter numerischer Simulationsdaten (DNS) bewertet. Die allgemeine Schlussfolgerung legt nahe, dass der Hauptturbulenzparameter, der die turbulente Flammengeschwindigkeit bestimmt, die Größe der energiereichsten Wirbel ist und nicht dimensionslose Zahlen wie Reynolds- (Re) oder Karlovitz-Zahlen (Ka). Die Modelle für die lokale Verschiebung der Geschwindigkeit legen ebenfalls nahe, dass ein Modell, das für ein moderates Turbulenzniveau entwickelt wurde (Ka \(\approx O(10)\) ), Flammen mit Ka \(> O\) (1.000) gut vorhersagt. Die PDF-Modellierung unter Verwendung des Flammenkonzepts wird bis zu Ka \(> O(100)\) bewertet, wobei die Massenanteile der Hauptspezies vernünftig gut vorhergesagt werden.