Forschung

Die Forschung der TFD-Gruppe konzentriert sich auf thermoakustische Verbrennungsinstabilitäten. Diese beeinträchtigen die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Gasturbinen und Raketentriebwerken sowie von Heizgeräten für den Haushalt oder industrielle Brenner. Um diese Instabilitäten zu analysieren und zu kontrollieren, werden Strömungsmechanik, Akustik und Verbrennungswissenschaft in einem interdisziplinären Ansatz mit Methoden der Systemidentifikation und Regelungstechnik kombiniert. Ein intensiver Austausch mit Kollegen aus Forschungseinrichtungen innerhalb und außerhalb Europas fördert unsere Bemühungen.

Die BBC-Dokumentation "Space Race" behandelt in Episode Vier oberflächlich die schwerwiegenden Schwierigkeiten mit der Verbrennungsinstabilität des F-1-Triebwerks der Saturn V-Rakete. Starten Sie dazu mit dem Anschauen des Films etwa ab Minute 5:00! Diese Schwierigkeiten wurden letztendlich durch Brute-Force-Methoden, große Anstrengungen und hohe Kosten überwunden. Ein kurzes Video von Prof. Thierry Poinsot vom IMFT in Toulouse zeigt die akustische Instabilität in einer Brennkammer und erläutert das Phänomen, führt die grundlegenden Wechselwirkungsmechanismen zwischen Verbrennung und Akustik ein und erwähnt auch die Herausforderungen, denen Designer in der Industrie gegenüberstehen.

Aktuelle Thematiken

Die laufenden Projekte der TFD-Gruppe befassen sich mit den nachstehend aufgeführten Thematiken. Zu einigen Projekten werden auf unserem YouTube-Channel konkrete Updates in Videoformat präsentiert.

• Flammendynamik
  Im Kontext von thermoakustischen Instabilitäten ist es wesentlich, die dynamische Antwort einer Flamme auf Störungen der Anströmung vorherzusagen und zu analysieren. Verschiedene Arten von Strömungsstörungen sind relevant, wie z.B. die Modulation von Geschwindigkeit, Verwirbelung oder Äquivalenzverhältnis. Analytische Modelle für die laminare Flammendynamik liefern wichtige Erkenntnisse über Mechanismen der Wechselwirkung von Strömung und Flamme und ermöglichen die Identifizierung relevanter Zeitskalen. Für turbulente Flammen liefert eine Kombination aus Large Eddy Simulation von reaktiver Strömung und Systemidentifikation quantitative Informationen für Konfigurationen mit konkretem Anwendungsbezug. Das jüngste Interesse konzentriert sich auf Sprühflammen.

• Verbrennungslärm

  Wir zielen darauf ab, die Entstehung von Lärm durch eingeschlossene turbulente Flammen vorherzusagen und die relevanten Wechselwirkungen zwischen Strömung, Flamme und Akustik zu verstehen. Letztendlich möchten wir Ansätze entwickeln und bewerten, um Verbrennungslärm zu reduzieren.

• Unsicherheitsquantifizierung in der Verbrennungsdynamik
  Thermoakustische Verbrennungsinstabilitäten können äußerst empfindlich auf geringfügige Änderungen in den Betriebs- oder Randbedingungen reagieren. Daher ist es von großer Bedeutung, die Unsicherheiten in der Analyse der thermoakustischen Stabilität und/oder der Bestimmung der Flammendynamik zu quantifizieren.

• Intrinsische thermoakustische Rückkoppelung und deren Asuwirkungen auf die Verbrennungsdynamik
  In einer aktuellen Forschungsarbeit haben wir den intrinsischen thermoakustischen (ITA) Rückkopplungsmechanismus identifiziert, einen Strömungs-Flamme-Akustik-Interaktionsmechanismus, der von der Forschungsgemeinschaft bislang übersehen wurde. Es ist nun wichtig, das etablierte Verständnis und die Verfahren zur thermoakustischen Analyse und Gestaltung zu überprüfen und neu zu bewerten. Wir planen, die Wechselwirkungen zwischen ITA und Kavitätsmoden zu untersuchen, die Beziehung zwischen Flammendynamik und ITA-Rückkopplung sowie die Auswirkungen von ITA-Resonanzen auf die Stabilität von Brennkammern, die Kontrolle thermoakustischer Instabilitäten und Verbrennungslärm zu erforschen.

• Linearisierte reaktive Strömung
  Ziel ist die Entwicklung numerischer Werkzeuge zur Lösung linearisierter Grundgleichungen für reaktive Strömungen. Wir wollen diese Werkzeuge verwenden, um die Dynamik und Stabilität reagierender Strömungen zu analysieren, insbesondere von vorgemischten Flammen.

• taX - Zustandsraum-Verbundungsmodelle für (Thermo-)Akustik
  Die TFD-Gruppe entwickelt einen Modellierungsrahmen auf der Grundlage des Zustandsraums für Aero- und Thermoakustik. Dieser Ansatz ermöglicht die Integration einer breiten Palette von Modellierungsansätzen für die Thermoakustikanalyse, die Berechnung von Form, Frequenz und Wachstumsrate von Eigenmoden, die Bestimmung von akustischen Streumatrizen und Transferfunktionen sowie die Berechnung nichtlinearer Auslösungen und/oder Grenzzyklen. All dies in einer quelloffenen, benutzerfreundlichen und erweiterbaren Softwareumgebung! Das ist der Grund, warum mehrere Videoanleitungen zu taX auf unserem YouTube-Channnel verfügbar sind.