Evaluierung fortschrittlicher Modelle zur Berechnung von Zweiphasenströmungen mit überlagerter Reaktion am Beispiel einer Low-NO X Modellbrennkammer M. Hettel, W. Leuckel Engler-Bunte-Institut, Lehrstuhl und Bereich Verbrennungstechnik, Universität Karlsruhe (TH) G. Klose, R. Schmehl, R. Meier, G. Maier, R. Koch, S. Wittig Institut für Thermische Strömungsmaschinen, Universität Karlsruhe (TH) N. Zarzalis, S. Hohmann DaimlerChrysler Aerospace, MTU München 1. ÜBERSICHT Die Entwicklung neuer Triebwerksbrennkammern ist cha- rakterisiert durch einen extremen technologischen und fi- nanziellen Aufwand. Dabei wird zunehmend versucht, die Zahl der teuren und aufwendigen experimentellen Untersu- chungen durch den Einsatz numerischer Berechnungsver- fahren zu reduzieren. Zukünftiges Ziel ist die Bestimmung des Stickoxid (NO X )- Ausstoßes einer Brennkammer schon in der Auslegungsphase. Die NO X -Bildung ist stark nicht- linear von der Temperatur und der lokalen Stöchiometrie abhängig. Grundvoraussetzung zur Simulation der Schad- stoffbildung ist daher eine möglichst genaue Vorhersage des Temperatur- und Mischungsfeldes. Im vorliegenden Artikel sind die Ergebnisse der Modellie- rung einer mit Kerosin betriebenen Modellbrennkammer dargestellt. Dazu wurden drei fortschrittliche Modelle zur Berechnung der turbulenten verdrallten Strömung, der Aus- breitung und der Verdampfung des Brennstoffsprühstrahls und der turbulenten Verbrennung eingesetzt. Die Modelle wurden zunächst in einen kommerziellen Finite-Volumen CFD (Computational-Fluid-Dynamics) - Code integriert. Ziel der Untersuchungen war, diese Teilmodelle erstmals zu koppeln und im Hinblick und auf ihre Leistungsfähigkeit zur Berechnung von Triebwerksbrennkammern zu testen. Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Forschungs- vorhabens “Schadstoffarme Antriebe - Engine3E” durch- geführt. 2. EINLEITUNG 2.1 Motivation Die prognostizierte Zunahme des Luftverkehrs lässt eine Steigerung des Ausstoßes des Treibhausgases Kohlendioxid (CO 2 ) erwarten. Dieses entsteht als Verbrennungsprodukt und ist somit direkt an den Treibstoffverbrauch gekoppelt. Ein anzustrebendes Ziel ist daher, den Verbrauch deutlich zu senken, was durch eine Verbesserung des Wirkungs- grades des Antriebes erreicht werden kann. Für die Umsetzung werden momentan im Wesentlichen zwei Strategien verfolgt. Zum einen bieten sich Triebwerks- konzepte mit einem deutlich höheren Nebenstromverhältnis an, die durch einen höheren Vortriebswirkungsgrad charak- terisiert sind. Zum anderen wird eine Steigerung des ther- mischen Wirkungsgrades des Kerntriebwerkes forciert. Dies erfordert eine Erhöhung des Brennkammerdruckes und der Turbineneintrittstemperatur, was aber bei herkömm- lichen Brennkammerbauweisen zu einer Zunahme der NO x - Emission führt. Für zukünftige Triebwerksgenerationen müssen daher Konzepte zur gemeinsamen Reduktion der NO X - und CO 2 - Emission entwickelt werden. Die NO x -Bildung wird haupsächlich durch die Parameter Druck, Temperatur, Aufenthaltszeit sowie durch die Stö- chiometrie und die Homogenität der Mischung bestimmt. Hohe Drücke und Temperaturen vergrößern die Produk- tionsrate. Niedrige Emissionen lassen sich entweder bei fetter (brennstoffreicher) oder magerer (brennstoffarmer) Verbrennung erzielen, wobei ein homogenes Gemisch den Minimierungseffekt verstärkt. Von den momentan unter- suchten Konzepten bieten das LPP-Prinzip (“Lean Premi- xed Prevapourized”) und das RQL-Prinzip (“Rich-Quench- Lean”) die größten Reduktionspotentiale. Durch diese Ver- brennungskonzepte lässt sich die NO X - Emission trotz erhöhter Drücke und Eintrittstemperaturen reduzieren. 2.2 Verwendete Modelle Am Institut für Thermische Strömungsmaschinen wurde eine Modellbrennkammer experimentell untersucht, die sich durch die drei folgenden Aspekte charakterisieren lässt: Es liegt eine turbulente, verdrallte Strömung vor. Das weit verbreitete Standard k-g-Turbulenzmodell (STKE) weist bei der Berechnung dieses Strömungstyps Schwächen bei der Wiedergabe des radialen Austausches von Dreh- impuls auf. Am Engler-Bunte-Institut (EBI) der Universität Karlsruhe wurde ein modifiziertes k-, Modell (MKE) entwickelt, mit welcher die Vorhersagegenauigkeit wesent- lich verbessert wird. In der Brennkammer liegt eine Zweiphasenströmung vor. Der flüssige Brennstoff wird durch eine Airblastdüse zer- stäubt. Bei der Verbrennung laufen die Teilvorgänge Zer- stäubung, Tropfenerwärmung, Brennstoffverdampfung, Mischung, Zündung und Reaktion sowohl zeitlich als auch örtlich überlappend ab. Da die numerische Simulation des Zerstäubungsprozesses zur Zeit noch nicht möglich ist, beschränkt sich die Modellierung auf die Beschreibung der im Sprühstrahl ablaufenden Vorgänge. Im Hinblick auf die Verbrennungsrechnung ist das angestrebte Ziel der Sprüh- strahlrechnung eine möglichst gute Vorhersage der Brennstoffdampf-Verteilung. Als Randbedingungen dieser Berechnung werden die aus dem Zerstäubungsprozess re- sultierenden Durchmesserverteilungen und Geschwindig- keitsverteilungen der Tropfen (Tropfenstartbedingungen) benötigt. Die numerische Berechnung des verdunstenden Sprühstrahles kann prinzipiell auf zwei Arten erfolgen. Die Lagrangesche Methode basiert auf der Berechnung einer großen Anzahl von repräsentativen Tropfenflugbah- nen im Gasströmungsfeld. Diese Methode ist sehr rechen- zeitintensiv, da die Gleichungen welche die Tropfenbewe- gung beschreiben, getrennt von der Gasphase gelöst werden