Entwicklung und Anwendung eines simulationsbasierten Designprozesses für brennstoffflexible Brenner mittels additiver Fertigung

04 - Entwicklung und Anwendung eines simulationsbasierten Designprozesses für brennstoffflexible Brenner mittels additiver Fertigung

Zusammenfassung

Für die Transformation zu zukünftigen nachhaltigen Energiesystemen werden brennstoffflexible Brenner benötigt, um den schrittweisen Übergang von Erdgas zu einem wasserstoffbasierten Betrieb zu ermöglichen. Da wasserstoffbasierte Brennstoffe im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffen grundlegend andere Verbrennungseigenschaften aufweisen bestehen für die Entwicklung solcher Brenner erhebliche Herausforderungen in Bezug auf Emissionen und Gemischbildung sowie Flammenstabilität und Flammenrückschlag. Ziel dieses Projekts ist es, die simulationsgestützte Entwicklung industrieller Brennersysteme zu ermöglichen, wobei ein robuster und effizienter Betrieb mit verschiedenen Wasserstoff/Methan-Gemischen im Fokus steht und gleichzeitig die Produzierbarkeit und Sicherheit des Brenners gewährleistet bleiben soll. Diese Herausforderungen sollen hier durch die Kombination von Modellentwicklung und simulationsgestützten Designprozessen mit experimentellen Untersuchungen und innovativer additiver Fertigung (AM) bewältigt werden. AM bietet weitreichende Freiheitsgrade, die für die Entwicklung kompakter, flexibler und sicherer Brenner erforderlich sind. In diesem Projekt wird ein inverser Designprozess entwickelt und zur Demonstration angewandt, mit dem Ziel einen industriellen Brenner im Hinblick auf bestimmte Zielgrößen zu optimieren. Dies beinhaltet Flammeneigenschaften wie Stabilität (Flammenrückschlag und Verlöschen) und Emissionen (NOx, CO) sowie Konstruktionsparameter wie Druckverlust und Wärmebeständigkeit. Eine Herausforderung ist der Bedarf an genauen und effizienten Simulationstechniken für wasserstoffbasierte Brennstoffe, die im Rahmen des Projekts entwickelt werden. Dazu gehören Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Simulationen (RANS), deren Genauigkeit durch Datenassimilation auf Grundlage eines Ensemble-Kalman-Filters unter Verwendung von Large-Eddy-Simulationen und experimentellen Daten verbessert werden soll. Das Experiment liefert Brennstoff-Verbrauchsraten und Eigenschaften von turbulenten Flammen, die erforderlich sind, um thermodiffusive Instabilitäten in das RANS-Modell einzubeziehen. Das assimilierte RANS-Modell wird dann zur Optimierung der Brennergeometrie und der Betriebsstrategien unter Verwendung von adjungierten Sensitivitäten und unter Berücksichtigung der durch AM vorgegebenen Konstruktionsbeschränkungen eingesetzt. Der Designprozess wird mittels AM unter Verwendung parametrischer Modelle des Brenners ermöglicht und es werden weitere Untersuchungen durchgeführt, um die Qualität des AM-gefertigten Brenners zu verbessern. Dazu gehören Optimierungen hinsichtlich dünner Wände, filigraner Merkmale und erreichbarer Überhangwinkel. Dies ist insbesondere bei hochtemperaturbeständigen Materialien von Bedeutung. Zusammenfassend wird der hier verfolgte interdisziplinäre Ansatz durch die Kombination von Verbrennungstechnik und AM den methodischen Rahmen für einen simulationsbasierten Designprozess von brennstoffflexiblen Industriebrennern schaffen.

Project04

Forschungsteam

Pitsch

Prof. Dr.-Ing. Heinz Pitsch

Projektleiter

RWTH Aachen University
Institut für Technische Verbrennung
h.pitsch(at)itv.rwth-aachen.de
[:en]Schleifenbaum[:]

Prof. Dr. Johannes H. Schleifenbaum

Projektleiter

RWTH Aachen University
Digital Additive Production Chair
johannes.henrich. schleifbaum(at)dap.rwth-aachen.de
 
beeckmann

Dr.-Ing. Joachim Beeckmann

Projektleiter

RWTH Aachen University
Institut für Technische Verbrennung
j.beeckmann(at)itv.rwth-aachen.de
Gauding

Dr.-Ing. Michael Gauding

Wissenschaftler

RWTH Aachen University
Institut für Technische Verbrennung
m.gauding(at)itv.rwth-aachen.de
Bold

Sebatian Bold

Doktorand

RWTH Aachen University
Digital Additive Production Chair
sebastian.bold(at)dap.rwth-aachen.de
 
Hermsmeyer

Patrick Hermsmeyer

Doktorand

RWTH Aachen University
Institut für Technische Verbrennung
p.hermsmeyer(at)itv.rwth-aachen.de
Cameron

Florence Cameron

Doktorandin

RWTH Aachen University
Institut für Technische Verbrennung
f.cameron(at)itv.rwth-aachen.de
 
Bupesh

Bhupesh Verma, M.Sc.

Doktorand

RWTH Aachen University
Digital Additive Production DAP
bhupesh.verma@dap.rwth-aachen.de
NoPicture

Johannes Willkomm

Doktorand

RWTH Aachen University
Digital Additive Production Chair
johannes.willkomm(at)dap.rwth-aachen.de
 
Juris_Luca

Luca Juris

Doktorand

RWTH Aachen University
Digital Additive Production Chair
luca.juris(at)dap.rwth-aachen.de
 
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Svenja Nerzak

Doktorandin

RWTH Aachen University
Institut für Technische Verbrennung
s.nerzak(at)itv.rwth-aachen.de