Forschung

Forschung

Derzeit werden global über 80% der Primärenergie aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Vor dem Hintergrund einer schnell wachsenden Weltbevölkerung und einer steigenden Industrialisierung der Entwicklungs- und Schwellenländer wird nach Prognosen der Internationalen Energieagentur (IEA) der Weltenergiebedarf im Zeitraum 2005–2030 um mehr als 50% steigen. Denselben Prognosen zufolge wird dieser Bedarf auch in den kommenden Jahrzehnten hauptsächlich von fossilen Energieträgern gedeckt werden müssen, da die Möglichkeiten der Kernenergie und regenerativer Energiequellen begrenzt bleiben. Zur Deckung dieses projizierten Nachfragewachstums gelten die weltweiten Ölreserven als ausreichend bis zum Jahr 2030, während die Vorräte an Kohle erheblich größer sind. Weniger gut kalkulierbar sind jedoch der Aufwand und die Kosten, diese Energieträger im benötigten Maße aus zunehmend schwieriger zugänglichen Lagerstätten zu fördern. Zudem ist die globale Klimaerwärmung eng an die weltweiten CO2-Emissionen und damit an die Verbrennung fossiler Energieträger gekoppelt. Trotz der wünschenswerten Anstrengungen zur Förderung regenerativer Energieträger besteht daher bei einem starken Anstieg des Energiebedarfs, einem weiterhin hohen Anteil fossiler Brennstoffe und einer sich zuspitzenden Klimaproblematik die unbestreitbare Notwendigkeit, Verbrennungstechnologien ressourcen- und umweltschonender zu gestalten.

Die theoretische Auseinandersetzung mit Problemen technischer Feuerungen erfordert neben chemischen und verfahrenstechnischen Arbeitsmethoden gleichzeitig immer die Beschäftigung mit turbulenten Strömungen. Neben klassischen empirischen Optimierungsansätzen gewinnen in diesem Zusammenhang zunehmend numerische Methoden zur Entwicklung von Verbrennungssystemen an Bedeutung. Dabei ist die direkte numerische Simulation (DNS), die auf Basis sehr feiner Gitterstrukturen die kleinsten Wirbel turbulenter Vorgänge auflöst, die einzige Methode, mit der Vorhersagen a priori getroffen werden können. Aufgrund begrenzter Rechnerleistung wird jedoch die DNS auch in Zukunft auf Testfälle mit kleinen Geometrien und moderaten Reynoldszahlen beschränkt bleiben. Alle anderen Methoden wie die Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation, LES) oder Ansätze gemittelter Erhaltungsgleichungen (Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS) beinhalten Modelle und zusätzliche Annahmen, die größtenteils aus empirischen Beobachtungen abgeleitet werden.

Experimentelle laserdiagnostische Methoden ermöglichen es, berührungsfrei Konzentrationen, Temperaturen und Geschwindigkeiten in Flammen zu bestimmen und somit die zur Validierung und Weiterentwicklung theoretischer Modelle und numerischer Berechnungsmethoden notwendige Datenbasis zu liefern. Diese Messmethoden sind komplexer Natur und erfordern eine ständige Orientierung am Stand der Forschung in der Experimentalphysik.

Die wissenschaftlichen Ziele des Fachgebietes lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Grundlagenforschung insbesondere auf dem Gebiet der Diffusions- und Vormischflammen
  • theoretisch/numerische Simulation von Verbrennungsprozessen und Mehrphasenströmungen
  • Entwicklung und Anwendung laserdiagnostischer Methoden in technischen Verbrennungssystemen
  • Untersuchung von Verbrennungvorgängen in Gasturbinen und Verbrennungsmotoren

Die Forschungsgebiete lassen sich wie folgt unterteilen:

Theoretisch / numerische Forschungsgebiete

  • Grobstrukturmodellierung (LES) in Verbrennungsmotoren
  • Verbrennungsmodellierung im LES-Kontext
  • 2-Phasen-Modellierung und –Simulation
  • Verbrennungslärm
  • Gasturbinen: Wechselwirkung Brennkammer-Turbine

Experimentelle Forschungsgebiete

Die experimentelle Forschung wird in enger Kooperation am Fachgebiet Reaktive Strömungen und Messtechnik durchgeführt.

  • Raman Spektroskopie
  • High-Speed-Laserdiagnostik
  • Flamme-Wand-Interaktion
  • 2-Phasen-Diagnostik
  • Optisch zugänglicher Verbrennungsmotor
  • Thermographische Phosphore
  • Diodenlaser-Spektroskopie