Modellierung von Stoß-Flamme Interaktionsvorgängen bei der explosionsartigen Wasserstoff-Luft Verbrennung mittels hoch-aufgelöster CFD-Simulationen

Die präzise Vorhersage der Explosionslasten unkontrollierter Wasserstoff/Luft Explosionen in geschlossenen Geometrien, stellt ein zentrales Problem in der Forschung zur Sicherheit nuklearer Reaktoren und chemischer Prozessanlagen dar. In diesem Kontext kann die reaktive Richtmyer-Meshkov Instabilität (RMI) signifikant zur Flammenbeschleunigung und dem sicherheitskritischen Deflagrations-Detonations-Übergang beitragen. Die RMI beschreibt die die Auffaltung der Flamme, welche durch häufig auftretende Stoß-Flamme Interaktionen ausgelöst wird und zu einer starken Erhöhung der Flammenoberfläche und einer erheblichen Erhöhung der integralen Reaktionsrate führt. Zwar kann der Effekt der RMI durch hoch-aufgelöste direkte numerische Simulationen (DNS) akkurat vorhergesagt werden, allerdings sind DNS in industriell relevanten Größenordnungen mit einem enormen Berechnungsaufwand verbunden. Dies macht die Anwendung niedrig aufgelöster Reynolds gemittelter Navier-Stokes Simulationen oder Grobstruktursimulationen (LES) notwendig, wobei die kleinskaligen Effekte der RMI durch präzise Feinstrukturmodelle berücksichtigt werden müssen. In diesem Zusammenhang können DNS entscheidend zur Modellentwicklung beitragen, da sie die detaillierte und uneingeschränkte Analyse aller physikalischen Parameter im gesamten Simulationsgebiet ermöglichen. Mittels hoch-aufgelöster 3D-DNS von Wasserstoff/Luft Stoß-Flamme Interaktionen, wird der Einfluss des Äquivalenzverhältnisses und anderer Parameter auf die Flammenfaltung und Durchmischung untersucht. Auf Grundlage dieser Analyse wird ein Modellierungsansatz basierend auf dem Prinzip der Skalenähnlichkeit entwickelt, welcher es ermöglicht die nicht aufgelöste Feinstrukturfaltung aus den aufgelösten Strömungsgrößen zu rekonstruieren. In einem nächsten Schritt wird das Skalenähnlichkeitsmodell in OpenFOAM implementiert und anhand der DNS-Daten validiert. Zur weiteren Quantifizierung werden die experimentellen Ergebnisse der MiniRUT Anlage herangezogen.