Stationäre RANS-Simulation eines verdrallten, nicht vorgemischten industriellen Methan-Luft-Brenners unter Verwendung von edcSimpleFoam


Beim sechsten OpenFOAM-Workshop im Juni 2011 wurden der Öffentlichkeit ein neuer Solver, edc{Simple, Piso}Foam, für turbulente, nicht vorgemischte Verbrennung vorgestellt, welche die Strahlungs- und Reaktionsmodellierung unter Anwendung der open-source CFD-Programmbibliothek OpenFOAM berücksichtigt. Dieser Bericht bietet eine kurze Evaluierung des stationären Solvers edcSimpleFoam. edcPisoFoam ist der instationäre Gegenpart. edcSimpleFoam implementiert zwei auswählbare Versionen von Magnussen's Eddy-Dissipation-Concept: EDC/LE und EDC/PSR (lokale Auslöschung beziehungsweise teilweise gemischter Rührkessel).

OpenFOAM ist nicht gerade berühmt für Verbrennungsmodellierung, verglichen mit kommerziellen Produkten ist die Auswahl an Solvern und Modellen für reaktive Strömungen und Verbrennung sehr begrenzt. Die Autoren haben schon früher gezeigt, dass das Chalmers-PaSR-Modell (basierend auf einem Modell eines teilweise gemischten Rührkessels), welches die Grundlage des Standardsolvers reactingFoam bildet, keine gitterunabhängigen Ergebnisse liefern kann, nicht einmal für einfache 2D-Diffusionsflammen (dies kann über die beigefügten Tutorial Case in OpenFOAM-1.7.1 leicht getestet werden). Außerdem ist der Solver instationär, was aufgrund der kleine Zeitschrittweite, sowie der sich daraus ergebenden enormen Prozessorzeiten, die notwendig sind, um ausreichende Simulationszeiten für die Durchschnittsberechnung der Variablen (etwa Temperatur, Spezienkonzentration, Geschwindigkeit) zu erreichen, einen großen Nachteil für industrielle Anwendungen darstellt. Beide Unzulänglichkeiten sind aus Sicht der Autoren für physikalisch korrekte und effiziente Simulationen von typischen, hochturbulenten, nicht vorgemischten Brennern inakzeptabel.

 

In Bild 1-4 werden die Simulationsergebnisse unter Verwendung von edcSimpleFoam und des EDC/LE-Subsolvers des Brenners unter Volllast dargestellt. Der Fall war nach 70000 Iterationen konvergent.


Bild 1: links: Absolutgeschwindigkeit (m/s), rechts: y-Geschwindigkeit (m/s)

 


Bild 2: links: Temperatur (K), rechts: Strahlungsdichte (W/m2)

 


Bild 3: links: Massenanteil O2 (1), Massenanteil CO2 (1)

 


Bild 4: links: Massenanteil CH4 (1), Massenanteil N2 (1)

 

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